作者:赵汉斌 来源:科技日报 发布时间:2022/11/30 11:33:18
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跨越山海,植物长距离扩散后这样“开疆拓土”

 

“扩散”一直是生物地理学和生态学的一个核心研究议题。在植物界,种子的扩散往往需要借助媒介完成,并且大多是短距离扩散,仅有约1%的扩散是长距离扩散。

记者从中国科学院昆明植物研究所了解到,该所李德铢团队新近的研究,阐明了植物长距离扩散后的拓殖机制,为应对全球变化下生物入侵、生物多样性丧失等重要问题提出了解决方案。相关研究综述近日发表在国际生态与进化领域期刊《生态学和进化趋势》上。

植物长距离扩散,影响生物多样性格局形成

自然界中,受植物自身“能力”与外在的水流、风媒、动物等因素影响,种子大多在短距离扩散。

然而,在植物漫长的演化和拓殖史中,长距离扩散才是生物多样性格局形成的关键驱动力,对生态系统的维持和稳定有着重要影响,是制约植物种群和群落大规模动态变化的关键要素。

“种群间的基因流、空白生境的拓殖和集合群落的重组,这些生态过程都与长距离扩散密切相关。此外,长距离扩散也可能剧烈扰动植物的演化进程。”昆明植物研究所李德铢研究员介绍,如常见的飞机草、紫茎泽兰、一枝黄花等,这些物种经长距离扩散后拓殖到新的生境成为入侵物种,严重影响当地的生态系统和社会经济。

“以飞机草为例,其强悍之处在于拥有异常粗壮的地下根茎,可以在地下横行霸道、扩张地盘。”中国科学院西双版纳热带植物园工程师莫海波介绍,而它的地上部分,可以一次性开出上万朵花,产生上万颗种子,并且拥有像蒲公英一样的“降落伞”,四处飘散,从而拥有超强的繁殖能力。

让人头疼的事不止于此,飞机草植株还可发生强烈的化感作用,通过分泌化学物质,抑制本土植物“邻居”的生长;其叶片还暗藏香豆素,对牛羊等牲畜有毒,因而罕有天敌。凡是飞机草入侵之地,要恢复原有的生物多样性就异常困难。

“在当今全球环境变化影响下,植物经长距离扩散可形成新的物种分布样式,以适应气候和生境变化。”论文第一作者、昆明植物研究所副研究员吴增源介绍,与此同时,长距离扩散对碎片化景观中群体的维持也有重要作用。

然而,以往的研究主要聚焦在扩散的动因、过程及媒介等方面,对扩散后植物在新的生境中如何拓殖关注甚少;而物种能否在新的生境中存活并建立种群是评价长距离扩散成功与否的重要标准,但其影响因素和形成机制尚不清楚。

六大因素,左右植物在新生境中拓殖

长期以来,李德铢研究员带领的分子植物地理学研究团队,持续在植物系统学和生物地理学研究领域深耕。

近年来,研究团队以荨麻科为模型,运用多学科交叉的研究方法,整合分子系统学、生物地理学和种子生物学等学科证据,论证了荨麻科植物种子的跨洋长距离扩散机制。

以其下的紫麻属为例,此属约有19个物种,分布在亚洲东部和大洋洲巴布亚新几内亚的热带和亚热带地区;我国有10种,分布于西南至华东地区。研究团队发现该属植物起源于我国南方地区,经历过4次“大陆到岛屿”的长距离扩散事件,形成现今的分布格局,显示东南亚地区植物区系具有多种迁入成分,这为认识东南亚地区生物、地质史和气候的协同演变提供了新的视角。

最近,研究团队依托中国西南野生生物种质资源库,通过与中国科学院西双版纳热带植物园、以色列希伯来大学和英国爱丁堡大学合作,对种子长距离扩散后的拓殖机制开展了深入分析。“我们总结出影响植物在新生境中成功拓殖的关键因素,分别是繁殖体压力、功能性状、极端事件和人为干扰、生态位动态、阿里效应,以及捕食、竞争与共生六个方面。”李德铢说。

在此基础上,综合相关因素分析,研究团队提出了评估物种发生长距离扩散后在新生境中拓殖成功概率的数学模型,此模型整合谱系地理学和运动生态学的原理方法,通过计算源强度、扩散核、增补概率和有效种群大小,可以估算物种经过长距离扩散后在新生境中拓殖成功的概率。

“这一模型,有望为长距离扩散后拓殖机制定量研究提供一个理论框架,也为评估物种入侵风险提供辅助手段。”李德铢说。

研究团队还总结了植物长距离扩散的研究方向和重点,提出了基于多学科交叉的整合研究范式。

首先,整合运用生物地理学、谱系地理学和运动生态学,更加精确地还原长距离扩散事件的发生过程;其次,重点研究上述六个关键因素对植物长距离扩散后拓殖成败的影响程度及耦合关系,以确定关键制约要素;最后,通过百万年地史时间尺度,以及人类世以来的短时间尺度植物长距离扩散后拓殖机制的比较,提出了未来植物长距离扩散的整合定量研究新框架,为生物多样性保护提供了解决方案。

 
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