植物性狀網絡理論、方法研究獲進展

2021-01-09 中國生物技術網

植物性狀(Plant trait)或植物功能性狀(Plant functional traits)通常是指植物對外界環境長期適應與進化後所表現出的可量度、且與植物的生長、繁殖以及存活等功能密切相關的屬性,例如,葉片大小、葉片厚度、葉片元素含量、植株高度、種子大小等。植物性狀種類繁多,可簡單分為葉性狀、枝性狀、乾性狀、根性狀、繁殖性狀、整體性狀等。

經過多年研究,人們認識到每個或每類植物性狀均具有明顯的多功能性(multi-functionality),例如,葉片上的微毛在反射太陽輻射從而降低輻射對葉片損傷的同時,也有效防止了葉片水分的散失。同時,植物任何功能均是由多個功能性狀協同來完成的,如光合作用的優化就受到比葉面積、氮含量、葉綠素含量等多性狀的共同影響。簡言之,植物多種性狀通過多種適應機制來共同完成其生產與適應功能,而非單一性狀或單種機制就能使植物生存下來、並且很好地實現其生長和世代繁演的目的。準確量化這些多性狀間的權衡和依賴關係,有助於人類更好地揭示植物的生境適應策略。傳統的分析方法(如相關分析、主成分分析、通徑分析、結構方程模型等)都難以闡明多性狀間的複雜關係從而很好地揭示植物適應途徑和機制。

在總結前人研究的基礎上,中國科學院地理科學與資源研究所研究員何念鵬、於貴瑞團隊引入多維度網絡分析理念,發展了「植物性狀網絡(Plant trait networks,PTNs)」的理論體系,包括定義、構建方法、參數體系,並探討了PTNs在生態研究中潛在的廣泛應用領域。PTNs具有多維度捕獲和可視化植物多性狀間關係的潛力,為揭示植物對環境或資源變化響應與適應策略提供全新視角。在具體操作過程中,PTNs可進一步細分為更具有可操作性的葉片性狀網絡(Leaf trait networks, LTNs)、根性狀網絡(Root trait networks, RTNs)、花性狀網絡(Flower trait networks, FTNs)、多元素性狀網絡(Multiple element networks, MENs)、以及其它性狀網絡,但其核心內涵均是通過複雜網絡的思想和理念可視化植物多性狀間的關係,並利用網絡參數來量化多性狀關係的變化,從而揭示植物對環境適應機制與響應。

近期,相關科研論文在線發表於Trends in Ecology and Evolution,地理資源所博士生何念鵬和李穎為共同第一作者,通訊作者分別是何念鵬、於貴瑞和美國加州大學洛杉磯分校教授Lawren Sack ;參與單位還包括北京林業大學、北京大學、中科院植物研究所、中科院華南植物園等。本研究受到國家自然科學基金項目(31988102, 3191101545)、科技部第二次青藏科考專項(2019QZKK060602)、中科院戰略性先導科技專項(XDA23080401, XDA19020302)等項目的資助。

多維植物性狀網絡的構建及其植物多維度適應理論

來源:中國科學院地理科學與資源研究所

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