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昆明植物所與蘇黎世聯邦理工學院在植物種間作用對其資源分配策略影響研究方面取得重要進展

 植物種間作用研究經過數十年的發展,已經形成了系列重要的研究結論。研究證實,植物種間作用(競爭或協作)對于生態系統中的物種組成、結構及其多樣性維持起著重要作用。特別地,植物種間協作作用的存在,對于高山、極地、干旱與半干旱荒漠等極端環境下生態系統的功能穩定性起到了關鍵的作用。例如,在高山極端環境條件下,植物種間協作可以顯著地提升生態系統的物種多樣性物種多樣性與生態系統地面生產力(即生物量)之間存在著顯著的正相關關系。此外,植物種間作用的形式(競爭或協作)、作用強度等受到諸多生物與非生物因素的控制。但是,相關研究結論主要來自于對自然生態系統的研究。在農業生態系統中,盡管已有較多的研究揭示了不同的生產方式(如單作或混作)對于目標物種生物量產出的影響但并未有研究揭示不同的物種組合及其物種間作用對于植物資源分配策略的影響,即,不同物種在單作、混作及不同的混作模式下(即不同物種組合),其資源分配策略如何變化?在混作模式下,不同的物種組合意味著不同的種間作用形式及其強度。那么,不同的混作模式(即不同的物種間作用)如何影響植物對營養繁殖生長的資源分配?繁殖分配(植物分配到繁殖器官的資源量)是植物適合度的關鍵特征,而種子產量在生產實踐中是眾多農作物的關鍵指標。此外,揭示不同的物種混作及其物種間作用關系在不同氣候環境脅迫下如何影響作物的資源分配等問題,對于指導農業生產實踐,乃至在指導未來的農業育種方面都有重要的現實意義。

  針對如上科學問題,近期,中國科學院昆明植物研究所與蘇黎世聯邦理工學院研究人員創造性地將植物種間協作理論與方法運用于農業生態系統研究,通過對八種不同農作物進行不同的物種組合,即構建不同的物種多樣性及物種間作用模式,以相應作物的關鍵指數(收獲指數,harvest index,也可稱作繁殖投入reproductive effort)為衡量指標研究了相應的物種組合在不同氣候及環境脅迫條件下的資源分配策略。研究同時分析了不同的植物功能性狀對于相應作物收獲指數的影響。結果顯示:通過不同物種組合后,相應物種的生物量得到了顯著的提高。具體地,當只有兩個物種混作時,與單作相比,種子產量在不同氣候條件下分別增加了3.4%(西班牙,地中海半干旱氣候)和21.4%(瑞士,溫帶濕潤氣候)。而當四個不同物種混作時,相應的種子產量分別增加了12.7%44.3%。但是,與營養分配相比,繁殖分配的提升幅度要低一些,即,地上部分營養分配從單作到混作的增長比例分別達到了25.8%46%。以上結果說明,通過不同物種組合(即混作,相應作物在生物量累積方面的確產生了種間協作作用,且這種協作作用同時受到了物種特性及氣候與環境因子的共同調控。導致種子增量低于營養器官增量的原因可能有兩方面,一是物種之間的補償性效應(complementarity effect),二是取樣效應(sampling effects)。正是由于繁殖增量低于營養增量,導致收獲指數從單作到混作呈現降低的趨勢,這種趨勢又同時受到物種及氣候因子的調控。此外,物種之間的關系也并非完全的呈協作關系,因物種組合的不同,部分物種之間的關系也可能呈現競爭作用,導致部分競爭力較弱的物種其收獲指數下降更明顯。最后,不同的植物功能性狀對其收獲指數同樣存在顯著影響,同樣地,其作用形式與強度在不同物種之間存在顯著差異。 

  相關研究結果為未來農業生產實踐及農業育種中充分考慮植物種間協作作用提供了重要的理論基礎。研究結果以“Diversity increases yield but reduces harvest index in crop mixtures”為題發表于植物學頂級期刊Nature Plants上。昆明植物所陳建國副研究員為論文第一作者,孫航研究員為共同作者,蘇黎世聯邦理工學院Christian Schob博士為通訊作者。該研究得到了瑞士國家自然科學基金(PPOOP3_170645)和中國國家留學基金委的資助。 

  文章鏈接 

 

Fig. 1 | Seed yield response to crop diversity. Average seed yield (g m–2) of eight monocultures, 24 different 2-species and 16 different 4-species mixtures planted with eight different annual crop species in 0.25-m2 plots in Switzerland and Spain. Data are mean and 95% CI. = 762 plots. 

 

Fig. 2 | Crop plant diversity effects on seed yield and vegetative biomass. a,b, Seed yield and vegetative biomass increases compared with monocultures averaged over 24 different two-species and 16 different four-species mixtures. For absolute effect size we show the net effect (g m–2) (a) and for relative effect size the relative yield total (b). n = 1,274 above-ground biomass partitions (seed versus vegetative) in plots of 0.25 m2. Data are mean and 95% CI. 

 

Fig. 3 | Harvest index of crop species in response to plant diversity and country. a,b, Harvest index in response to plant diversity and country averaged over all species (a) and for individual crop species (b). Data are mean and 95% CI. = 4,751 individuals. 

 

Fig. 4 | Relationship of the harvest index of eight crop species with plant functional traits. ae, Differences in the harvest index of eight crop species in mixtures compared with monocultures, as a function of differences in competition intensity (NIntC, (a), vegetative plant height (b), leaf area (c), SLA (d) and LDMC (e)) between mixtures and monocultures. Data are mean and 95% CI. = 1,637 species in plots of 0.25 m2

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