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生科院强胜教授团队揭示外来杂草一枝黄花多倍化入侵机制

2020-12-09 来源:生命科学学院 作者:刘宇婧 图片:

近日,美国生态学会(ESA)主办的生态学权威期刊《生态学专论》Ecological Monographs在线发表了澳门新葡亰平台游戏app手机 杂草研究室强胜教授团队的研究论文“Autopolyploidy-driven range expansion of a temperate-originated plant to pan-tropic under global change”,该研究揭示了外来杂草加拿大一枝黄花通过多倍化增强耐热性分化,驱动其分布范围从温带向赤道逆向扩张。

被子植物起源于热带地区,通过多倍化驱动向两极扩张分布范围,这种扩张是多倍化增强耐冷性演化的结果;然而,对加拿大一枝花的研究发现通过多倍化增强耐热性分化驱动其分布范围从温带向赤道的逆向扩张,这一发现是对传统观念的突破。

图1 加拿大一枝黄花在原产地北美(a)和入侵地中国(b)的发生状况对比

全球重要的入侵植物加拿大一枝黄花(Solidago canadensisL.),原产于北美温带地区,除了分布在北美外,广泛入侵欧洲和东亚等地区,特别是在中国亚热带季风气候区造成严重的生态灾害。强胜教授团队经过十多年的潜心研究,对来自全球471个样点的2062份加拿大一枝黄花材料的细胞地理学分析,首次揭示目前入侵我国且猖獗的加拿大一枝黄花全部是多倍体(主要是六倍体),而原产地则以二倍体为主,二倍体种群仅能入侵欧洲和东亚的温带地区。

深入研究发现该物种的倍性水平与纬度分布呈显著负相关,与温度呈显著正相关;20-24℃等温线是二倍体和多倍体的入侵范围气候生态位的差异分化带,这种分化是由于同源多倍化驱动的该物种耐热性增强的结果。

利用原产地和入侵地二、四、六倍体6种地理细胞型,分别在美国佐治亚和中国南京的同质园试验表明多倍体尤其是入侵地多倍体演化出更有效的耐热生理机制,即多倍体通过抗氧化酶高效清除活性氧而二倍体则更多地依赖产生抗氧化剂应对热胁迫;对成功入侵起关键作用的是二倍体在夏季高温气候条件下胚胎败育导致花而不实,入侵地多倍体可以耐受高温使胚胎正常发育产生可育的种子,而且它们还显著延迟到秋季温度降低时旺盛开花,通过高温避让机制在更适宜的气候条件下产生巨量的种子,随风漂移,迅速扩散蔓延。这种倍性依赖的耐热性以及有性生殖特性的演化是预适应和入侵后迅速演化共同作用的结果,这是首个揭示外来植物成功入侵事件的关键内在要素的案例。

MaxEnt模型的预测,该物种的适生区范围将随全球变暖持续扩张。该研究不仅为温带起源植物通过同源多倍化驱动分布范围逆向扩张机制提供了首个案例,而且这种植物演化的新动向为研究应对全球变化和多样性加速减少的策略提供了新思路。

此外,该研究还为我国加强外来入侵植物加拿大一枝黄花管理提供了坚实的理论基础,人工种植的加拿大一枝黄花通称“黄莺花”的鲜切花是二倍体,花农选择二倍体种植的原因是开花早,鉴于它目前不会在24℃等温线以南地区导致入侵,可以被允许种植。但是,在20℃等温线以北的东北、华北北部、西北、西南以及其他有相似气候的地区种植具有逃逸的风险,应被严格禁止。

图2 加拿大一枝黄花的细胞地理学分析及其成功入侵机制

该论文以澳门新葡亰平台游戏app手机 为第一知识产权单位,生命科学学院强胜教授为通讯作者,已毕业博士研究生程继亮和李君为共同第一作者;张峥、鲁焕、张裕、戴伟民、宋小玲以及博士研究生陈国奇和杨向宏、硕士研究生姚贝贝、董莹雪、马玲、袁肖肖、张颖、薛丽芳、章超斌等参与工作;同时,该论文也是多国科学家长期通力进行国际合作研究完成的典型案例,美国佐治亚大学的Rodney Mauricio教授、康涅狄格大学教授和北卡罗来纳州立大学教授,加拿大农业及农业食品部Gary Peng研究员,德国康斯坦茨大学Marc Stift博士和澳门新葡亰平台游戏app手机 客座教授Bernal E. Valverde等为共同作者。

强胜教授团队长期坚持在外来植物入侵及其管理方面的研究,为我国乃至全球外来及检疫杂草管理发挥主要作用,其成果《外来入侵杂草风险评估、检疫及综合防治技术》刚在2019年获教育部科技进步二等奖。

该研究得到国家自然科学基金、国家重点研发项目、江苏省自然科学基金、外国专家项目、国家留学基金以及美国国家自然科学基金等多个项目的支持。

Jiliang Cheng#, Jun Li#, Zheng Zhang, et al., 2020. Autopolyploidy-driven range expansion of a temperate-originated plant to pan-tropic under global change. Ecological Monographs. 原文链接:https://esajournals.onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/ecm.1445

校对:胡晓璐

编辑:谷雨

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