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南京农业大学学者在外来杂草入侵机制研究方面取得突破
2021-01-07 国家自然科学基金委员会

  

  图1. 加拿大一枝黄花的细胞地理学分析及其成功入侵机制

  在国家自然科学基金项目(批准号:31870526)资助下,南京农业大学强胜课题组为被子植物扩张提供了新证据。研究成果以“全球气候变化下同源多倍化驱动温带起源植物向泛热带的范围扩张(Autopolyploidy-driven range expansion of a temperate-originated plant to pan-tropic under global change)”为题,于2020年12月4日在《生态学专论》(Ecological monographs)上在线发表。程继亮和李君博士为共同第一编辑。(论文链接: https://esajournals.onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/ecm.1445.)

  传统观点认为被子植物起源于热带地区,通过多倍化驱动冷气候适应向两极扩张分布范围。然而,对原产于北美温带地区、全球重要的入侵植物加拿大一枝黄花(Solidago canadensis L.)的研究却发现,多倍化增强耐热性分化驱动了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重大突破。

  加拿大一枝黄花近年来广泛入侵欧洲和东亚等地区,在中国亚热带季风气候区猖獗,造成严重的生态灾害。该研究对全球471个样点的2062份材料进行细胞地理学分析,证实了入侵我国的加拿大一枝黄花全部是多倍体,而原产地则有二、四、六倍体,二倍体种群仅入侵欧洲和东亚的温带地区。进一步分析发现,该物种的倍数水平与纬度呈显著负相关,与温度呈显著正相关,并形成了20-24℃等温线气候生态位差异分化带。原产地和入侵地的同质园试验表明,多倍体尤其是入侵地多倍体演化出更有效的耐热生理特性,即多倍体通过抗氧化酶高效清除活性氧而二倍体更多地依赖抗氧化剂应对热胁迫。二倍体之所以不能在我国亚热带入侵,关键是由于夏季高温气候条件下胚胎败育导致只开花不结果。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,而且能够通过延迟开花的高温避让机制在更适宜的气候条件下产生巨量的种子。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。该研究首次揭示了外来植物成功入侵事件的关键内在要素,为温带起源植物通过同源多倍化驱动分布范围逆向扩张提供依据。最大熵模型(MaxEnt)预测该物种的适生区范围将随全球变暖持续扩张,这种植物演化的新动向为应对全球变化和多样性降低提供了新的研究思路,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。

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