Nature Communication | 功能性状和表型可塑性调节物种在不同气候条件下的共存

以下文章来源于生态与地理速报 ，作者Eco&GeoDaily

研究背景

生态学家试图理解植物群落组装的机制，然而实现这一目标是一项艰巨的任务，因为很难确定和解开共存物种之间复杂的相互作用，以及环境条件的变化可能对这些相互作用产生的潜在影响。一个被普遍认可的解决植物-植物和植物-环境相互作用的复杂网络的方法是利用物种的性状，而不是依赖它们的分类学特性。越来越多的证据表明，功能性状的相关性决定了个体物种的三个主要组成部分——生长、繁殖和存活，以及植物相互作用的强度和标志。然而，种间性状差异如何与决定生物多样性维持的稳定和平衡机制联系在一起，目前仍知之甚少。建立这样的联系对于支持一种理论上合理的基于性状的方法，可以应用于群落生态学的不同研究领域至关重要。

我们对这一问题的理解不足，因为以前的研究发现，单个种间性状差异与驱动物种排除的竞争不对称之间存在着若干关联，但没有发现与稳定物种共存的生态位差异有关。例如，较高的木材密度与树木较强的竞争耐受性相关，更深的根系与一年生植物中更高的物种适应性相关。这些都是与直觉相反的结果，因为这两种性状的差异传统上被认为是资源分配的主要驱动力，因此也是不同环境条件(如木材密度)和土壤层(如生根深度)生态位分化的主要驱动力。迄今为止，生态位差异仅在同时考虑性状变异的多个轴(即物候、种子大小、高度、特定根长)时才被发现，这表明物种多样性的维持具有多维性。此外，我们还受到种间性状差异已与单一环境条件下竞争结果决定因素相关的限制。这确实是一个不现实的情况，因为植物竞争动态通常发生在相反的条件下。物种对环境变化的反应是通过多种形态和生理特性的调整来减轻压力水平和增加对有限资源的摄取。然而，物种在不同环境中改变其表型表达的能力(即表型可塑性)如何调节植物竞争相互作用的结果及其共存的可能性我们知之甚少。

这两个主要的知识缺口凸显了考虑开展更大范围内物种功能性状和环境条件的研究的必要性，以便捕捉更广泛的生态维度，使我们能够检测和区分功能性状作为稳定生态位差异的驱动因素的单变量和多维影响。具体来说，以往的研究主要集中在形态(多为地上部)性状，因为这些性状容易测量或在全球数据库中容易获得，从而遗漏了生理性状在介导物种共存中的关键重要性。

研究内容

本研究以地中海典型草原的10种一年生植物为研究对象，通过野外竞争试验，在两种水分条件下测定了19个与植物生理、形态、物候和繁殖能力相关功能性状(表1)。通过在秋雨过后(对照处理)和雨季开始后64天播种物种种子，这导致降雨量减少了206毫米(干旱处理详见“方法”一节)。作者将两个不同气候条件下的田间试验与描述10个一年生植物种间竞争动态的植物种群模型结合起来，以评估19个功能性状，包括生理、形态和繁殖特性，如何与物种的生态位和适应差异相联系。作者的研究目的如下：

首先，旨在评估单个功能性状能否捕获稳定生态位差异的种群统计学特征。作者预计单一功能性状与阻碍物种共存的竞争能力的差异有关。特别地，作者遵循在一个环境中有利的性状值可能在另一个环境中不利的观点，记录了在不同气候条件下的物种性状权衡。例如，表现出与资源更有效利用相关的性状的物种(即耐旱物种)在更多的胁迫条件下表现出更高的竞争优势，但在更有利的环境下并不一定表现出这样的竞争优势。其次，作者进一步研究干旱胁迫下表型可塑性是否通过增加或减少种间生态位差异和种间竞争能力来促进或阻碍共存。文献中的前期工作明确地建立了一个假设，即更多的可塑物种在更广泛的条件下可能表现出相似的适合性，从而可能保持最具有竞争力的物种的优势地位(Jack-of-all-trades strategy )。然而，对预测性状可塑性和生态位变异之间的特殊关系的相关信息较少。

研究结果

本研究发现了物种性状多样的单变量和多维关联，突出了与水和光利用效率相关的性状在调节竞争结果决定因素中的主要作用。另外，这些性状及其可塑性通过增强稳定的生态位差异，并通过在物种间产生竞争权衡，促进了物种在各种气候条件下的共存。本研究取得了重大进展，表明植物功能的主要维度如何与决定维持生物多样性的机制相关联。

本研究将现代共存理论的理论进展与不同气候条件下多性状物种竞争的实验评价相结合，旨在加深我们对气候变化下群落组装功能机制的认识。事实上，全球变化模型预测未来几十年许多温带和地中海生态系统将出现更严重和反复的干旱期。本研究分析基于性状的方法是否可以作为预测当前和未来气候情景下竞争性相互作用的性质和强度的有价值的工具。作者展示了考虑与水分利用和光能利用效率相关的生理性状对于更好地理解群落组装动态的重要性的证据。这是因为这些性状的变异增强了生态位差异的稳定性，并在物种之间产生了竞争权衡。这些结果提供了将物种的生理与决定物种多样性维持的机制联系的直接途径。

原文链接 ↓

https://doi.org/10.1038/s41467-019-10453-0

转自：“生态科研笔记”微信公众号

如有侵权，请联系本站删除！