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花粉和胚珠作為雄配子體和雌配子體的載體，它們的數(shù)量往往決定了植物繁殖適合度的上限和下限，花粉和胚珠的數(shù)量以及花粉/胚珠比(P/O)往往受到植物雄性和雌性資源投資的權(quán)衡，以及植物繁育系統(tǒng)、傳粉過程和環(huán)境條件的影響。通常自花授粉的植物花粉/胚珠比較低，蟲媒傳粉的植物則較高，風(fēng)媒傳粉的植物最高。花粉和胚珠數(shù)量和能量的權(quán)衡是植物繁殖和傳粉適應(yīng)性的最直接的體現(xiàn)，往往作為繁殖特性的指示指數(shù)來評(píng)價(jià)。

中國(guó)西南山地垂直地帶性明顯，涵蓋了海拔從低到高的多種自然帶類型，高山環(huán)境下植物的繁殖和物候受到云霧和雨季等多因素的影響。相對(duì)于研究較為豐富的歐洲阿爾卑斯山脈和美國(guó)落基山脈，在中國(guó)西南山地，高山草甸群落水平植物花部性狀和繁殖適應(yīng)性隨海拔梯度變化研究較為匱乏，海拔及植物系統(tǒng)發(fā)育歷史對(duì)繁殖分配，如花粉/胚珠比的影響鮮有研究，從而限制了對(duì)該區(qū)域高山草甸群落植物花部性狀演化、繁殖策略和物種共存機(jī)制的深入理解。

中國(guó)科學(xué)院昆明植物研究所植物繁育系統(tǒng)進(jìn)化生態(tài)學(xué)研究組在麗江玉龍雪山海拔2709-3896米的5個(gè)高山草甸群落，連續(xù)四年開展了84種蟲媒植物的花粉和胚珠性狀變化研究，分析了群落內(nèi)植物的花粉和胚珠數(shù)量、P/O比，以及每種植物11個(gè)其它花部性狀，包括株高、花朵數(shù)、花大小等。利用DNA條形碼構(gòu)建了物種系統(tǒng)發(fā)育樹，PGLS模型分析了花粉和胚珠性狀隨海拔的變異模式(圖1)。研究發(fā)現(xiàn)，花粉和胚珠數(shù)量與6個(gè)花部性狀(P/O比，花展示面積、花朵數(shù)、花管長(zhǎng)、花型和花藥展示方式)高度相關(guān)(圖2);花粉數(shù)量和單花的P/O比隨著海拔升高而增加;而單花胚珠數(shù)量，花朵數(shù)和花序高度隨著海拔升高呈現(xiàn)明顯的下降趨勢(shì)。與之對(duì)應(yīng)的是，單花的胚珠數(shù)量并不隨海拔的升高而變化(圖3)。此外，檢測(cè)到花粉和胚珠數(shù)量、P/O比呈現(xiàn)較強(qiáng)的系統(tǒng)發(fā)育信號(hào)，而對(duì)環(huán)境因子的響應(yīng)較為有限。研究首次在群落水平揭示了該區(qū)域高山草甸植物花粉和胚珠性狀變化模式，為進(jìn)一步深入解析海拔梯度下植物花部性狀變化和繁殖成功與傳粉昆蟲互作關(guān)系提供了重要的理論依據(jù)。

研究成果以Community-wide patterns in pollen and ovule production, their ratio (P/O), and other floral traits along an elevation gradient in southwestern China為題，發(fā)表于國(guó)際植物生物學(xué)著名期刊BMC Plant Biology。尼泊爾籍博士研究生Shristhi Nepal為論文第一作者，王紅研究員和美國(guó)哥倫布大學(xué)(中國(guó)科學(xué)院國(guó)際人才計(jì)劃訪問學(xué)者)Kevin Burgess教授為論文共同通訊作者。Judith Trunschke博士和任宗昕副研究員參與該項(xiàng)工作。該研究得到了中國(guó)科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)(XDB31000000)、云南省興滇人才計(jì)劃云嶺學(xué)者(YLXL20170001)、國(guó)家自然科學(xué)基金(32071670, 32050410309)和中國(guó)科學(xué)院國(guó)際人才計(jì)劃(2021VBA0013)項(xiàng)目的支持。

圖1.玉龍雪山5個(gè)高海拔樣地的植物系統(tǒng)發(fā)育關(guān)系和性狀分布。

圖2.花粉和胚珠與其它花部性狀相關(guān)性分析。

圖3.花部性狀的海拔變異。