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生命科学

Life science

2023年7月24日，西北农林科技大学郭梁团队在Cell Press细胞出版社期刊Current Biology上发表题为“Climatic drivers and ecological implications of variation in the time interval between leaf-out and flowering”的研究成果，探究了气候变暖对植物花叶物候及其间隔的影响规律。

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全球变暖背景下植物春季物候（如：展叶和开花）提前已得到广泛报道，然而，系统、全面探究植物花叶间隔的气候变化响应及其生态效应的研究却较为缺乏。花叶间隔表征着植物春季营养生长和生殖生长开始时间的相对变化，开花与展叶的时间间隔变化对植物个体生长发育、群落构建、生态系统结构、功能和稳定性维持均具有重要意义。该研究团队利用长期植物物候定点监测数据（来源于国家地球系统科学数据中心），对中国中东部地区183个物种近50年的展叶开花配对数据进行分析。研究发现：气候变暖显著提前了植物开花与展叶物候，然而花叶间隔整体上保持稳定，但缩短和延长的花叶间隔亦有所发现。其中，先叶后花植物的花叶间隔呈现缩短趋势，先花后叶植物的花叶间隔则逐渐延长，其主要原因为花期物候的温度敏感性整体高于展叶温度敏感性。对于先叶植物，缩短的花叶间隔将加剧叶、花器官间光合产物的竞争，而对于先花植物，延长的花叶间隔则意味着植物花期所需的营养物质将更加依赖上一年的积累，两者变化均对物种生长发育具有不利影响，亟待深入探索。西北农林科技大学郭梁和于强教授、湖南师范大学彭长辉教授、中国科学院地理科学与资源研究所戴君虎研究员为论文通讯作者，博士生刘小伟为论文共同第一作者。该研究得到西北农林科技大学、国家自然科学基金和国家重点研发计划的支持。

图1   气候驱动因子（chilling & forcing）变化对植物展叶、开花及花叶间隔影响的示意图

植物物候变化直接影响着植物的适合度，也影响着生态系统的物质循环与能量流动，植物物候对气候变化表现出高度的敏感性。植物冷热积累的满足对春季物候启动至关重要。（图1）前期，国内外物候学者及该研究团队对气候变暖下植物展叶和开花物候的各自响应进行了大量探索（如：Guo et al., 2019, Agricultural and Forest Meteorology, 268: 299-307），但气候变化对植物花叶间隔的影响却罕见报道。

基于此，该研究团队利用中国183个物种1963-2014年的物候监测记录及日尺度气候数据，探究了气候变暖对植物花叶物候及其间隔的影响规律。结果表明，气候变暖显著提前了植物的春季展叶与开花物候（图2），植物花叶间隔整体上却并未随气候变暖而发生显著变化（图3）。然而，变化的花叶间隔在部分物种中亦有所发现：其中，先叶后花植物的花叶间隔呈现缩短趋势，先花后叶植物的花叶间隔则逐渐延长，其主要原因为始花物候的温度敏感性（temperature sensitivity, ST）整体高于展叶温度敏感性（图3）。

图2 气候变暖对植物展叶和开花物候的影响

图3 气候变暖对植物花叶间隔的影响（A），植物展叶和开花温度敏感性比较及其对花叶间隔变化的影响（B-C），其中B为先叶后花植物的分析结果，C为先花后叶植物分析结果

此外，该研究团队还对植物花叶间隔变化的生态学及进化学意义进行了探索（图4），提出未来应加强气候变化与花叶间隔变化响应的定量研究，并重视气候变暖背景下早春光合产物在花叶器官间分配的变化规律及其对植物适合度影响的研究，这对植物生长发育及生态系统的稳定维持具有重要意义。

图4 气候变暖背景下植物花叶间隔变化原因及其生态学意义

作者介绍

郭梁

研究员

西北农林科技大学水土保持科学与工程学院（水土保持研究所）研究员，博士生导师，固原生态试验站副站长、林草生态研究室副主任、宁夏云雾山国家级自然保护区管理局局长助理，入选西北农林科技大学青年英才。主要研究方向为全球变化生物学和林草生态学，结合野外控制实验、长期定位监测、气候梯度分析等手段，探究气候变化对林草植被群落、土壤养分循环及微生物群落组成和功能的影响，以第一或通讯作者在Current Biology、Agricultural and Forest Meteorology (4篇)、Soil Biology and Biochemistry、Plant and Soil (2篇)、植物生态学报、应用生态学报、草地学报等主流学术期刊发表研究论文40余篇。欢迎对我们课题组的研究方向感兴趣的研究生发送简历至 guoliang2014@nwafu.edu.cn。

刘小伟

博士研究生

西北农林科技大学草业与草原学院2021级博士研究生，主要研究方向为生态学与全球变化生物学，以第一作者在Current Biology、Plant and Soil、Applied Soil Ecology期刊发表相关论文。