碳是構(gòu)成有機(jī)體的基本元素。植物如何儲(chǔ)存、分配和利用碳以適應(yīng)多變的自然環(huán)境，一直是植物學(xué)和生態(tài)學(xué)領(lǐng)域關(guān)注的核心問(wèn)題之一。非結(jié)構(gòu)性碳水化合物(NSC，主要包含可溶性糖、淀粉等不穩(wěn)定、可被利用的碳源)，作為植物生命活動(dòng)最直接的能量貨幣參與多種生理代謝功能，是植物響應(yīng)和適應(yīng)環(huán)境變化的重要緩沖劑，在調(diào)控植物生長(zhǎng)和環(huán)境適應(yīng)性方面發(fā)揮著重要作用。盡管如此，目前基于功能性狀的植物資源策略研究框架卻很少考慮NSC的重要功能，這極大地限制了植物生態(tài)適應(yīng)機(jī)制的深入認(rèn)識(shí)。葉經(jīng)濟(jì)學(xué)譜和根二維性狀譜是近年來(lái)植物功能性狀領(lǐng)域的重要發(fā)現(xiàn)，尤其是根二維性狀譜已成為根系性狀研究的主流范式。這些重要的發(fā)現(xiàn)為探究NSC與植物地上和地下資源獲取策略的協(xié)調(diào)關(guān)系提供了絕佳的視角。然而，目前缺乏相關(guān)的野外試驗(yàn)研究，針對(duì)NSC與葉和根性狀譜的關(guān)聯(lián)差異及其環(huán)境驅(qū)動(dòng)機(jī)制等科學(xué)問(wèn)題的認(rèn)識(shí)尚屬空白。
基于此，中國(guó)科學(xué)院成都生物研究所尹華軍研究員團(tuán)隊(duì)與河南農(nóng)業(yè)大學(xué)孔德良教授合作，以青藏高原高寒森林代表性針葉樹(shù)種為對(duì)象（圖1），通過(guò)分析葉片和細(xì)根關(guān)鍵功能性狀、非結(jié)構(gòu)性碳水化合物含量及環(huán)境因子，基于目前廣泛認(rèn)知的葉經(jīng)濟(jì)譜和根系經(jīng)濟(jì)空間策略框架，系統(tǒng)探討了NSC與植物地上-地下經(jīng)濟(jì)策略間的協(xié)調(diào)關(guān)系差異及其關(guān)鍵環(huán)境驅(qū)動(dòng)因子。研究結(jié)果表明，葉片和根系存在差異化的NSC-經(jīng)濟(jì)策略協(xié)調(diào)關(guān)系（圖2,3）。具體地，在地上，葉片NSC含量，尤其是可溶性糖的儲(chǔ)存，與葉經(jīng)濟(jì)譜的資源保守端相對(duì)應(yīng)，并主要受到氣溫與降雨所驅(qū)動(dòng)，體現(xiàn)了植物生長(zhǎng)速率與低溫、干旱耐受性之間的權(quán)衡。而令人意外的是，在地下，根系NSC的變化獨(dú)立于細(xì)根經(jīng)濟(jì)譜，而NSC中兩個(gè)主要組分——糖和淀粉與根系覓食維度呈現(xiàn)相反的協(xié)調(diào)關(guān)系，并主要由降雨所驅(qū)動(dòng)，即隨著降雨量減少，根系覓食效率增加，同時(shí)傾向于儲(chǔ)存更多的淀粉和較少的糖，這表明不同NSC組分在調(diào)控細(xì)根覓食功能的投資權(quán)衡。該研究首次將植物非結(jié)構(gòu)性碳納入植物地上和地下經(jīng)濟(jì)策略框架，系統(tǒng)揭示了NSC在塑造地上和地下多維經(jīng)濟(jì)學(xué)性狀空間中的獨(dú)特作用，對(duì)于科學(xué)認(rèn)識(shí)植物響應(yīng)和適應(yīng)環(huán)境變化的生態(tài)策略提供了新的見(jiàn)解。
上述研究結(jié)果近期以“Contrasting coordination of non-structural carbohydrates with leaf and root economic strategies of alpine coniferous forests”為題發(fā)表在植物學(xué)領(lǐng)域國(guó)際著名期刊New Phytologist (2024)上。該論文第一作者為成都生物研究所特別研究助理張佩佩和鄭州大學(xué)丁俊祥博士，通訊作者為尹華軍研究員和河南農(nóng)業(yè)大學(xué)孔德良教授。論文的合作者還包括美國(guó)西北太平洋國(guó)家實(shí)驗(yàn)室Nate G. McDowell研究員和成都生物所特別研究助理汪其同。本研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目、中科院“西部之光”交叉團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目、四川省科技計(jì)劃項(xiàng)目和西藏自治區(qū)科技計(jì)劃等項(xiàng)目的聯(lián)合資助。
本研究成果是團(tuán)隊(duì)近年來(lái)關(guān)注高寒針葉林植物功能性狀及其資源獲取策略以來(lái)（Journal of Ecology 2020, 2023；Functional Ecology, 2023），在該領(lǐng)域取得的又一重要研究進(jìn)展。上述系列研究成果豐富和拓展了高寒針葉林多樣化生態(tài)適應(yīng)策略的理論認(rèn)知，并為多變環(huán)境下高寒森林適應(yīng)性機(jī)制的科學(xué)認(rèn)識(shí)提供了新的見(jiàn)解。
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圖1 90個(gè)高寒針葉林采樣點(diǎn)分布圖
圖2葉片和根系NSC與關(guān)鍵經(jīng)濟(jì)性狀的相關(guān)性
圖3地上/地下NSC存儲(chǔ)與植物經(jīng)濟(jì)策略的協(xié)調(diào)關(guān)系