近日，草業(yè)與草原學(xué)院尹淑霞教授團隊在《Plant, Cell & Environment》 發(fā)表了題為"Transcriptional Changes Underlying the Degradation of Plant Community in Alpine Meadow Under Seasonal Warming Impact"的研究論文，揭示了季節(jié)性增溫對高寒草甸植物的影響與植物的響應(yīng)，通過比較轉(zhuǎn)錄組研究解析了季節(jié)性增溫導(dǎo)致高寒草甸植物群落退化的分子機制。
全球氣候變暖具有顯著的季節(jié)性趨勢，即不同季節(jié)往往經(jīng)歷不同的升溫幅度。在青藏高原，因其高海拔和惡劣環(huán)境，生態(tài)系統(tǒng)極其脆弱，高寒草甸植物對氣候變化的響應(yīng)既高度敏感又獨具特色。近年來，大量研究揭示了季節(jié)性增溫下高寒草甸群落結(jié)構(gòu)和物候特征的變化，但植物群落退化的具體機制仍不清楚。通過分析植物轉(zhuǎn)錄調(diào)控及生理響應(yīng)機制，結(jié)合野外植被調(diào)查，有助于揭示全球氣候變暖條件下植物群落退化的特征與機理，也為應(yīng)對氣候變暖趨勢下高寒草地保護與利用的適應(yīng)性管理提供理論支持。
圖1 季節(jié)性增溫下高山嵩草（Kp）與紫花針茅（Sp）共表達基因簇功能及與增溫特征的關(guān)系
該研究通過開放式增溫裝置（Open Top Chambers, OTCs）模擬未來的季節(jié)性增溫情景（生長季增溫，非生長季增溫，生長季非生長季復(fù)合增溫），重點分析了兩種優(yōu)勢物種——高山嵩草 (Kobresia pygmaea) 和紫花針茅 (Stipa purpurea) 在長期增溫中的轉(zhuǎn)錄和生理反應(yīng)。研究結(jié)果表明，季節(jié)性增溫的影響與增溫持續(xù)時間和增溫發(fā)生的季節(jié)密切相關(guān)，較長的生長季增溫，特別是夏秋增溫會給植物帶來較大的壓力（圖1）。在這樣的壓力脅迫下，高山嵩草表現(xiàn)出應(yīng)激規(guī)避策略，導(dǎo)致其種群數(shù)量減少甚至消失；而紫花針茅則采取應(yīng)激耐受策略，逐漸在草甸群落中占據(jù)主導(dǎo)地位。雖然面對季節(jié)性增溫植物存在差異化的響應(yīng)策略，但整體而言，長期的生長季增溫降低了植物群落多樣性和蓋度，導(dǎo)致植物群落退化（圖2）。
圖2 不同季節(jié)性增溫處理下高山嵩草（Kp）與紫花針茅（Sp）種群及植物群落特征的差異
通過轉(zhuǎn)錄組和生理學(xué)分析，研究揭示了高山嵩草在應(yīng)對季節(jié)性增溫時表現(xiàn)出負面反應(yīng)，其抗性基因表達下降，能量代謝減弱，最終導(dǎo)致其生長和繁殖能力的降低。而紫花針茅則通過上調(diào)熱激蛋白等應(yīng)激反應(yīng)基因，表現(xiàn)出更強的耐受能力，能夠在增溫壓力下維持種群的相對穩(wěn)定（圖3）。整體來看，季節(jié)性增溫能夠重新塑造高寒草甸的植物群落結(jié)構(gòu)，莎草科植物的衰退以及紫花針茅的崛起顯示了不同植物對增溫的差異性響應(yīng)。該研究為理解氣候變化背景下高山草甸植物群落的演替提供了新的理論依據(jù)，也為未來植物保護策略的制定提供了新視角。
圖3 高山嵩草（Kp）與紫花針茅（Sp）對不同季節(jié)性增溫的差異化基因表達響應(yīng)
草業(yè)與草原學(xué)院尹淑霞教授為論文通訊作者，中國科學(xué)院青藏高原研究所斯確多吉研究員為論文共同通訊作者。博士研究生牛啟塵、已畢業(yè)碩士研究生金冠芳是本論文共同第一作者，揚州大學(xué)甘露副教授、中國科學(xué)院青藏高原研究所楊智永博士以及北京師范大學(xué)沈妙根教授為該研究提供了指導(dǎo)和幫助。此項研究得到了自然科學(xué)基金聯(lián)合基金（U20A2005）項目的支持。
