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科研進展
昆明植物所在雌雄異株植物心翼酸模不同性別個體間生態(tài)位分化研究取得新進展 文章來源:中國西南野生生物種質(zhì)資源庫 | 發(fā)布時間:2021-05-18 | 作者:于倩,周偉 | 瀏覽次數(shù): | 【打印】 【關閉】 動物雌雄個體間的差異往往顯而易見。在鳥類和哺乳動物中擁有絢麗外觀的幾乎都是以雄性為主,例如雄孔雀流光溢彩的尾巴,雄馬鹿茂盛的角,雄象外露的門齒。相比而言,植物雌雄個體間的差異則藏巧于拙,常常不引人注目,例如楊柳科的植物在不開花時很難區(qū)分其性別,孑遺植物銀杏即使在開花的時候,其性別也不易辨別。在被子植物中,雌雄異株的物種大約在157科(43%)960多屬(7.1%)中均有分布。對于這些雌雄異株的植物而言,它們是否與多數(shù)動物類似,除了繁殖性狀之外在其他一系列的生長特性上也存在性別間分化?其中,特別關鍵的是對于資源需求的分化。由于兩性個體間繁殖功能的差異,它們對于資源類型以及數(shù)量的需求也可能出現(xiàn)適應性分化。例如,由于生產(chǎn)花粉的原因,風媒植物的雄性個體對氮和磷等元素的需求可能會高于雌性個體;相反,因為掛果的原因,雌性個體對碳資源的需求可能會高于雄性個體。理論上,對于營固著生長的植物而言,兩性間的生態(tài)位分化能夠使其最大限度地利用局域環(huán)境中的有限資源,我們稱之為Jack Sprat效應。為了檢驗植物中是否存在Jack Sprat效應,中國科學院昆明植物研究所的李德銖研究團隊以產(chǎn)自美國得克薩斯州雌雄異株植物心翼酸模(Rumex hastatulus Baldw.)(雌性:XX,雄性:XY,2n = 10)為實驗材料,對該物種的不同性別個體的營養(yǎng)、繁殖生長性狀以及生態(tài)位分化水平進行了對比實驗與分析。 首先,為了分析心翼酸模的雌雄個體生長差異是否受營養(yǎng)條件的影響,研究團隊對其進行了低脅迫(大盆)和高脅迫(小盆)處理的盆栽實驗。結果顯示營養(yǎng)條件雖然影響了植株的高度和大小,但是性別間差異(例如雌雄互逆的株高二態(tài)、開花時間等)的趨勢和程度在不同的營養(yǎng)條件下都非常穩(wěn)定。脅迫對照實驗表明,心翼酸模的雌雄個體間在生長速度和物候上均存在明顯的時間生態(tài)位分化,而且這種性別間分化的環(huán)境可塑性較小。為了進一步探究心翼酸模性別間生長差異背后是否隱含著資源需求的分化,研究團隊針對性地開發(fā)了一套性別特異的遺傳標記,借助于這套性別特異標記,在水培條件下比較分析了同性競爭和異性競爭對植物生長的影響。研究結果表明,同性競爭在植物生活史的營養(yǎng)生長和繁殖生長階段都比異性競爭對植株造成的脅迫更大,也就是說,同性別不同個體對資源需求的重疊程度要明顯高于不同性別的個體。綜合上述兩方面的實驗,發(fā)現(xiàn)以心翼酸模為例的雌雄異株植物在時間維度上的生長發(fā)育和空間維度上的環(huán)境資源需求兩方面均具有明顯的生態(tài)位分化,為雌雄異株植物中存在“Jack Sprat效應”提供了直接證據(jù)。植物在其漫長的演化歷史中不僅有了雌雄功能的個體間分化,同時在兩性個體之間還呈現(xiàn)出“對立即互補”的“智慧”。 相關成果以“Sexual dimorphism, temporal niche differentiation and evidence for the Jack Sprat effect in an annual dioecious plant”為題,發(fā)表于Journal of Systematics and Evolution。中國科學院昆明植物研究所博士研究生于倩為論文第一作者,李德銖研究員和周偉研究員為論文通訊作者。研究工作得到中國科學院戰(zhàn)略性先導專項(B類)(XDB31000000)、國家自然科學基金項目(31971394和31770417)及“云嶺學者”人才培養(yǎng)工程(YLXL20170001)的資助。
圖1 雌雄互逆的株高二態(tài)。I花期:雌性個體開花比雄性早,但植株較雄性個體矮。II果期:雌性個體高于雄性個體。
圖2 水培培養(yǎng)12周后,同性競爭和異性競爭對心翼酸模的雄性和雌性的存活率、死亡率和未開花率的影響:2A為416個個體的生存狀況概覽,2B和2C分別為雌性和雄性在同性/ 異性競爭處理下的死亡率和未開花率。
圖3 心翼酸模雌花序、雄花序及果序(從左到右) (責任編輯:李雪)
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