生态前沿◎184
*仅供个人参考
气候变化正在影响高寒植物的繁殖时间和繁殖输出，因为高寒植物繁殖对环境因素高度敏感，如气候0变暖和降水变化。植物物候变化使物种暴露在新的环境条件下，对繁殖输出产生积极或消极的影响。具体而言，开花物候的提前通过延长花期有利于花的产生，但由于春末霜冻危害风险增加而对花的数量产生负的影响。由于较长的发育期，果期物候的提前提高了果实的可获得性和种子成熟期的长度，但在新的生物和非生物胁迫下，果期的提前也可能增加与传粉者的异步性和与食草动物的同步性，从而导致果实损失。物候时间和持续时间的变化也会影响有机质的积累、与传粉者的同步性，以及对有利环境条件的适应，从而改变植物的繁殖成功率。这些物候变化在高寒生态系统可能尤其明显，其变暖速度明显快于全球平均水平。然而，当前的研究中将物候变化与繁殖产出和成功联系起来的潜在机制尚不清楚。
研究者建立了一个概念模型来预测高寒植物的繁殖物候对气候变化的响应及其繁殖后果(图1)。首先，作者假设增温会促进高寒植物的开花物候，果期物候可能以相同(图1a)或较小的幅度(图1b)提前，甚至保持稳定(图1c)。其次，作者假设增温和降水的变化会影响高寒植物的花和果实数量(图1d-f)，这是由于营养物质积累的改变，从而可能通过影响传粉过程进一步改变繁殖成功率(图1c -i)。最后，增温导致的物候变化会改变植物繁殖阶段的生物和非生物条件，并可能进一步影响高寒植物的繁殖。
图1. 高寒植物物候变化影响植物繁殖输出和成功的概念图
研究者依托2017年建立在甘南草原生态系统国家野外科学观测研究站的气候变化实验平台，于2021至2022年在该平台调查了高寒草甸两种植物开花功能群（早春开花植物vs. 仲夏开花植物）的繁殖物候、繁殖输出和成功，以回答以下两个科学问题：1）气候变暖和降水变化对高山植物繁殖物候和繁殖成功的影响，以及不同开花功能类群之间是否存在差异？2) 气候变化下不同开花功能群的繁殖物候变化是否对繁殖产量和繁殖成功率有调节作用？如果有，其潜在机制是什么？
该研究发现，增温提前了早春和仲夏开花植物的现蕾和开花初始日期。增温也提前了仲夏开花植物的果期，但不影响早春开花植物的果期物候。降水变化仅影响2021年仲夏开花植物的现蕾时间，对开花和果期均无影响（图2）。
图2. 不同开花功能类群(早春开花植物，ESF;仲夏开花植物，MSF)的繁殖物候（首次现蕾日期，FFBD；首次开花日期，FFD；首次结果日期，FFSD）对增温和降雨变化的响应
研究也发现，对于早春开花植物，增温显著降低了其繁殖输出(包括开花和结果的数量)。相比之下，增温和降水变化对仲夏开花植物繁殖输出和成功的影响是年份依赖的（图3）。
图3. 不同开花功能类群(早春开花植物，ESF;仲夏开花植物，MSF)的繁殖输出和成功对增温和降雨变化的响应
当控制土壤温度的影响后，仲夏开花植物的开花数与植物花期开始日期之间呈正相关关系，仲夏开花植物的繁殖成功与植物果期开始日期之间呈正相关关系（图4）。此外，对不同开花功能群分别进行的结构方程模型的分析结果表明，增温和降雨变化通过提前高寒植物的繁殖物候，直接或间接地减少了高寒植物的开花数量和繁殖成功（图5）。
图4. 增温和降雨变化条件下的高寒植物繁殖物候变化与其繁殖输出和成功之间的关系
图5. 气候变化（土壤温湿度）对高寒植物不同开花功能群繁殖输出和成功的影响途径及繁殖物候在其中的调节作用
综上，该研究证明了繁殖物候在高寒植物繁殖输出和成功对气候变化的响应中的重要性，其中果期物候是气候变化条件下晚开花植物繁殖成功的关键。以上研究结果以“Warming reduces mid-summer flowering plant reproductive success through advancing fruiting phenology in an alpine meadow”为题，于2024年10月发表在自然指数期刊，英国皇家学会会刊《Proceedings of the Royal Society B: Biological Sciences》上。该研究依托甘肃甘南草原生态系统国家野外科学观测研究站开展，兰州大学生态学院、草种创新与草地农业生态系统全国重点实验室马妙君教授为该论文通讯作者，兰州大学生态学院2022级博士张天武为该论文的第一作者，实验室陈亚丫，杨向荣，张辉，郭增鹏，胡国瑞，白浩楠，黄莉，已毕业硕士孙胤光为该论文的共同作者。该研究工作获得国家自然科学基金项目（32171681，31922062）和甘肃省基础研究创新群体项目（22JR5RA390）的资助。
原文链接
https://doi.org/10.1098/rspb.2024.1110
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