【科學(xué)網(wǎng)】植物種子對火燒信號產(chǎn)生的適應(yīng)機(jī)制獲揭示
圖1 不同個(gè)體水平的Boronia floribunda種子大小、發(fā)芽率及對煙水響應(yīng)的差異
圖2 Anigozanthos flavidus種子萌發(fā)過程中胚的變化動態(tài)(a)完整的種子, (b)萌動前的胚, (c) 萌發(fā)前伸長的胚
圖3 不同種群的 Anigozanthos flavidus種子萌發(fā)對溫度及煙信號 (KAR1、SP1、煙水)的響應(yīng)
火燒信號對生態(tài)系統(tǒng)的影響引起了科學(xué)家的高度關(guān)注，特別是火燒發(fā)生的生態(tài)系統(tǒng)中，火燒信號通過對種子萌發(fā)的調(diào)控實(shí)現(xiàn)植被更新與恢復(fù)。植物種子對火燒信號產(chǎn)生的適應(yīng)機(jī)制是什么樣的，是揭示植物在長期進(jìn)化過程中保持繁衍能力的關(guān)鍵科學(xué)問題，但目前國際研究較薄弱。為此，中科院東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所研究員馬紅媛與澳大利亞和美國多家單位的專家合作開展了系列研究，揭示了植物種子對火燒信號產(chǎn)生的適應(yīng)機(jī)制。相關(guān)研究成果發(fā)表于International Journal of Wildland Fire、Plant and Soil、AoB Plants等。
火是自然界周期性天然干擾因子，是塑造地表植被的重要調(diào)控因子，對草地、森林、濕地等生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能維持具有重要意義。近年來，由于受氣溫升高、極端干旱等全球變化的影響，自然野火發(fā)生頻率和強(qiáng)度呈現(xiàn)增加趨勢。
“火燒信號，包括植物燃燒產(chǎn)生的熱激、氣體煙揮發(fā)性有機(jī)物、火后降雨的煙水溶液等，都會對生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生重要影響。” 馬紅媛向《中國科學(xué)報(bào)》介紹，其中植物燃燒產(chǎn)生的煙中的丁烯酸內(nèi)酯(Karrikins，簡寫KARs，包括KAR1、KAR2、KAR3和KAR4) 和甘油腈（Glyceronitrile，簡寫SP1）是目前發(fā)現(xiàn)的影響植物種子休眠和萌發(fā)的主要化學(xué)物質(zhì)。
近年來，馬紅媛與澳大利亞多家單位的專家合作，對澳大利亞不同休眠類型植物Boronia floribunda（物理休眠）和Anigozanthos flavidus（形態(tài)生理休眠）的種子開展了系統(tǒng)研究，深入剖析了種子在個(gè)體和種群水平上，KAR1、SP1、煙水、熱激及其互作等對種子休眠和萌發(fā)、胚生長動態(tài)等的影響。研究表明，Boronia floribunda種子在個(gè)體水平上對煙水的濃度存在顯著差異，保證了部分種子能夠在適宜的環(huán)境下快速萌發(fā)；而部分種子則保持休眠狀態(tài)并形成土壤種子庫，這種趨同進(jìn)化保證了該物種在火燒生態(tài)系統(tǒng)中的保存和更新（圖1）。同時(shí)，通過對比12個(gè)種群的種子萌發(fā)特性（圖2），首次報(bào)道了Anigozanthos flavidus種子休眠程度存在的種群水平顯著差異，揭示了深度和淺度休眠差異的種子對不同煙信號及其互作的顯著差異性響應(yīng)特征（圖3），總結(jié)了該物種適應(yīng)火燒及多變復(fù)雜生境的重要繁殖策略。
相關(guān)研究得到中國科學(xué)院王寬誠教育基金會“優(yōu)秀女科學(xué)家專項(xiàng)”、國家自然科學(xué)基金等項(xiàng)目聯(lián)合資助。
相關(guān)論文信息：https://doi.org/10.1071/WF19195
https://doi.org/10.1093/aobpla/ply042
https://doi.org/10.1007/s11104-018-3641-6
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