兰州大学邓建明团队在植物物质能量代谢与分配研究方面取得重要突破

日期: 2021-04-13 阅读: 来源:

植物物质能量或生物量的分配模式一直是植物生态学的核心科学问题之一,这不仅因为植物体物质能量的分配模式能反应植物生长发育的许多生态过程;还因为植物体的物质能量分配模式能影响或改变植物群落结构、生态系统物种多样性分布模式和生态系统功能如碳水循环。而且,生物量分配模式还是研究全球气候变化背景下不同生态系统生物碳储量与碳循环的基础。

叶和根系是植物吸收利用外界物质能量的主要器官,也是植物感受外界环境变化最敏感的器官。然而,在不同环境条件下,植物如何定量将合成的有机物/生物量分配给植物叶和根系的生长,以及生物与非生物因素如何调控其分配模式,却一直是学术界尚未解决的重要科学问题。

4月2日,365正规官网、草地农业生态系统国家重点实验室邓建明教授研究团队在National Science Review上发表研究论文,报道了生物与非生物因子调控植物生物量分配的一般性规律。该论文第一作者为兰州大学陈仁飞博士(现为山西师范大学讲师)和冉金枝讲师,邓建明教授为通讯作者。

论文作者基于代谢生态理论、植物异速生长理论和植物竞争理论等,推导并建立了植物群落中个体生物量分配由植物个体高度,邻体竞争强度(密度)以及均降雨量和温度共同调控的一般性理论模型。并通过共收集全球2841个森林群落数据对所建立的模型进行了很好的检验,且研究发现:1)树木叶比重(即叶生物量/总生物量)主要受树高和密度以及年均降雨量和温度共同调控;而且叶比重与植物个体高的-1次方呈正比,且树高对叶比重变化的解释率最高;2)树木地上-地下生物量比与树高、密度、年均温度、降雨量和土壤营养条件均无显著关系(图1);3)在一定科或种分类水平上,不论植物叶比重还是地上、地下生物量分配比例的相对变异程度均与年均降雨或年均温度的变异程度呈正比;4)作者还通过蒙特卡罗(Monte Carlo)模拟分析,发现植物群落物种组成或物种多样性随地理环境或维度梯度的变化,在相当程度上缓冲了全球尺度上植物生物量分配随环境或维度梯度的变异程度(图2)。

图1. 植物叶生物量比重和地上生物量比重分别与株高、密度和年均降水和温度间的关系

图2. 基于Monte Carlo模拟,对10个不同科植物叶比重变化的重叠度,与其在全球自然分布范围内气候变量变化的重叠度间进行比较分析

原文链接: https://academic.oup.com/nsr/advance-article/doi/10.1093/nsr/nwab025/6208883?guestAccessKey=292e6a2f-3085-47cb-a8f6-442dc3cab04d

近年来,邓建明团队围绕“不同环境条件下植物物质能量代谢与分配规律”开展了系列深入研究,并取得了系列原创性研究成果。比如,在植物生长发育过程中,水分调控植物物质能量代谢的生态学或生物学机制是什么?植物水分含量是否以及如何调控植物代谢速率异速指数?针对上述重大科学问题,邓建明团队基于细胞水平上物质能量代谢化学反应过程中的酶动力学原理,从理论上推导出了水分调控种子从休眠、萌发到幼苗生长发育过程中物质能量代谢的一般性机理模型;并建立了水分含量调控植物代谢速率异速指数从小个体的“1”(如幼苗)到大个体“3/4”转变的一般性机理模型。其研究成果相继于2020年发表在American Naturalist(Huang et al. 2020a) (https://www.journals.uchicago.edu/doi/10.1086/707072) 和New Phytologist(Huang et al. 2020b) (https://nph.onlinelibrary.wiley.com/doi/epdf/10.1111/nph.16808) 上。该研究的理论思想完全跳出了代谢生态理论基于生物体分支结构网络模型的理论框架,开创性地基于细胞能量代谢原理及生物化学反应动力学原理,通过理论推导建立了水分调控植物代谢速率及其异速指数变化规律的一般性理论模型。该研究拓展和丰富了代谢生态理论体系,尤其对理论生态学、植物学和植物生理学的发展将具有深远影响和科学意义。而且对进一步了解和解释全球气候变化背景下尤其干旱地区生态系统的生态功能、生物多样性与稳定性以及生态修复等方面具有理论指导意义。

上述研究得到了国家自然科学基金委、科技部和教育部等机构的资助。

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