【新科技】南京農業大學團隊研究外來雜草十餘年——一枝黃花多倍化入侵機制獲揭

2020-12-23 江蘇省科協

近日，美國生態學會（ESA）主辦的生態學權威期刊《生態學專論》（Ecological Mono‐graphs）在線發表了南京農業大學雜草研究室強勝教授團隊的研究論文。該研究揭示了外來雜草加拿大一枝黃花通過多倍化增強耐熱性分化，驅動其分布範圍從溫帶向赤道逆向擴張。這一發現突破了傳統觀念所認為的，被子植物起源於熱帶地區，通過多倍化驅動向兩極擴張。

▲加拿大一枝黃花在原產地北美（a）和入侵地中國（b）的發生狀況對比

全球重要的入侵植物加拿大一枝黃花，原產於北美溫帶地區，除了分布在北美外，廣泛入侵歐洲和東亞等地區，特別是在中國亞熱帶季風氣候區造成嚴重的生態災害。強勝團隊經過十餘年潛心研究，對來自全球471個樣點的2062份加拿大一枝黃花材料的細胞地理學分析，首次揭示目前入侵我國的加拿大一枝黃花全部是多倍體（主要是六倍體），而原產地則以二倍體為主，二倍體種群僅能入侵歐洲和東亞的溫帶地區。團隊經過深入研究發現，該物種的倍性水平與緯度分布呈顯著負相關，與溫度呈顯著正相關，20-24℃等溫線是二倍體和多倍體的入侵範圍氣候生態位的差異分化帶，這種分化是由於同源多倍化驅動的該物種耐熱性增強的結果。

強勝團隊利用原產地和入侵地二、四、六倍體6種地理細胞型，分別在美國喬治亞和南京的同質園試驗表明：多倍體尤其是入侵地多倍體，演化出更有效的耐熱生理機制，即多倍體通過抗氧化酶高效清除活性氧，而二倍體則更多地依賴產生抗氧化劑應對熱脅迫；對成功入侵起關鍵作用的是二倍體，在夏季高溫氣候條件下胚胎敗育導致花而不實，入侵地多倍體可以耐受高溫，使胚胎正常發育產生可育的種子，而且它們還延遲到秋季溫度降低時旺盛開花，通過高溫避讓機制，在更適宜的氣候條件下產生巨量的種子，隨風漂移，迅速擴散蔓延。「根據研究模型的預測，該物種的適生區範圍將隨全球變暖持續擴張。我們的研究不僅為溫帶起源植物通過同源多倍化驅動分布範圍逆向擴張機制提供了首個案例，而且這種植物演化的新動向為研究應對全球變化和多樣性加速減少的策略提供了新思路。」強勝說。

此外，該研究還為我國加強外來入侵植物加拿大一枝黃花管理提供了堅實的理論基礎。人工種植的加拿大一枝黃花通稱「黃鶯花」的鮮切花是二倍體，花農選擇二倍體種植的原因是開花早，鑑於它目前不會在24℃等溫線以南地區導致入侵，可以被允許種植。但是，在20℃等溫線以北的東北、華北北部、西北、西南以及其他有相似氣候的地區種植具有逃逸的風險，應被嚴格禁止。（許天穎 夏文燕）

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