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昆明植物所等在植物種間作用對其資源分配策略影響研究中獲進展

2021-06-30 昆明植物研究所
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  植物種間作用研究經過長期發展,已形成了系列重要的研究結論。研究證實,植物種間作用(競爭或協作)對于生態系統中的物種組成、結構及其多樣性維持具有重要影響。其中,植物種間協作作用的存在對高山、極地、干旱與半干旱荒漠等極端環境下生態系統的功能穩定性發揮了關鍵作用。例如,在高山極端環境條件下,植物種間協作能夠顯著提升生態系統的物種多樣性。物種多樣性與生態系統地面生產力(即生物量)之間存在顯著的正相關關系。此外,植物種間作用的形式(競爭或協作)、作用強度等受到諸多生物與非生物因素的控制。然而,相關研究結論主要來自對自然生態系統的研究。在農業生態系統中,盡管有較多的研究揭示了不同的生產方式(如單作或混作)對目標物種生物量產出的影響,但暫無研究揭示不同的物種組合及其物種間作用對植物資源分配策略的影響,即不同物種在單作、混作及不同的混作模式下(即不同物種組合),其資源分配策略如何變化?在混作模式下,不同的物種組合意味著不同的種間作用形式及其強度。那么,不同的混作模式(即不同的物種間作用)如何影響植物對其營養與繁殖生長的資源分配?繁殖分配(植物分配到繁殖器官的資源量)是植物適合度的關鍵特征,而種子產量在生產實踐中是眾多農作物的關鍵指標。此外,揭示不同的物種混作及其物種間作用關系在不同氣候與環境脅迫下如何影響作物的資源分配等問題,對于指導農業生產實踐,乃至在指導未來的農業育種方面均具有重要的現實意義。

  針對上述問題,近期,中國科學院昆明植物研究所和蘇黎世聯邦理工學院研究人員創造性地將植物種間協作理論與方法運用于農業生態系統研究,通過對八種不同農作物進行不同的物種組合,即構建不同的物種多樣性及物種間作用模式,以相應作物的關鍵指數(收獲指數:harvest index,也可稱作繁殖投入reproductive effort)為衡量指標研究了相應的物種組合在不同氣候及環境脅迫條件下的資源分配策略。同時,研究人員分析了不同的植物功能性狀對相應作物收獲指數的影響。結果顯示,通過不同物種組合后,相應物種的生物量得到了顯著提高。具體來說,當只有兩個物種混作時,與單作相比,種子產量在不同氣候條件下分別增加了3.4%(西班牙,地中海半干旱氣候)和21.4%(瑞士,溫帶濕潤氣候);當四個不同物種混作時,相應的種子產量分別增加了12.7%和44.3%。但與營養分配相比,繁殖分配的提升幅度要低一些,即地上部分營養分配從單作到混作的增長比例分別達到了25.8%和46%。

  上述結果表明,通過不同物種組合(即混作),相應作物在生物量累積方面產生了種間協作作用,且這種協作作用同時受到物種特性以及氣候與環境因子的共同調控。導致種子增量低于營養器官增量的原因可能有兩個——物種之間的補償性效應(complementarity effect)和取樣效應(sampling effects)。繁殖增量低于營養增量導致收獲指數從單作到混作呈現降低的趨勢,這種趨勢也受到物種及氣候因子的調控。此外,物種之間的關系并非完全的呈協作關系,由于物種組合的不同,部分物種之間的關系也可能呈現競爭作用,導致部分競爭力較弱的物種其收獲指數下降得更明顯。不同的植物功能性狀對其收獲指數產生了顯著影響,同樣地,其作用形式與強度在不同物種之間也存在顯著差異。

  該研究為未來農業生產實踐及農業育種充分考慮植物種間協作作用提供了重要的理論基礎。相關研究結果以Diversity increases yield but reduces harvest index in crop mixtures為題,發表在Nature Plants上。研究工作獲得瑞士國家自然科學基金和中國國家留學基金委的資助。

  論文鏈接

打印 責任編輯:張芳丹
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