Shifts in vernalization and phenology at the rear edge hold insight into the adaptation of temperate plants to future milder winters

IF 8.1 1区生物学 Q1 PLANT SCIENCES New Phytologist Pub Date : 2025-03-06 DOI:10.1111/nph.70005

Antoine Perrier, Megan C. Turner, Laura F. Galloway

引用次数: 0

Abstract

Abstract Image

查看原文

微信好友朋友圈 QQ好友复制链接

本刊更多论文

在春化和物候的变化，在后方边缘保持洞察温带植物适应未来的暖冬

暴露于周期性环境变化的生物体通常会进化出感知这些波动的机制，并在有利条件下及时发生发育转变(Preston &amp；Sandve, 2013)。在温带植物中，春化，即长时间暴露于非致命的季节性寒冷（Chouard, 1960），是一个重要的线索，因此关键的生命周期转变将在冬季后发生，例如营养生长和繁殖（Amasino, 2005）。然而，在快速变化的环境下，依赖这些线索可能是有害的。在持续的全球变暖背景下，这是一个特别值得关注的问题，因为它预计会影响自然和农业物种经历的季节性温度的强度和时间(Willis等人，2008；布莱克曼,2017)。需要春化的物种可能会受到气候变暖的负面影响，因为更短、更温和的冬季变得越来越普遍(Luedeling等人，2011；安德森,2023)。这种情况预计会导致繁殖的减少(帕德惠&；卡梅伦,2009;Liu et al., 2012；Satake et al., 2013)或生殖物候在最佳时间窗之外的变化(Fitter &amp；钳工,2002;帕尔玛和;尤伊,2003;爱,大杯,2021;Faidiga et al., 2023；Geissler et al., 2023)。因此，了解对季节信号的反应和这种反应的变化，以确定预期的变暖气候对温带植物物种的可能后果，是至关重要的。春化的要求和线索反应常常在物种内部和物种之间因冬季条件的不同而有所不同。科普兰,2012;布莱克曼,2017;普雷斯顿,Fjellheim, 2022)。这表明，虽然这些机制对于完成生命周期至关重要，但它们的差异足以支持跨异构环境的持久性。研究通过测试春化需求的变化和对温度梯度的物候反应，探索了不同环境下线索繁殖的变化（Blackman, 2017）。这项工作提供了证据，表明随着温度的升高，春化需求会减少(Wesselingh et al., 1994；Dijk et al., 1997；Boudry et al., 2002；Stinchcombe等人，2005；Jokela et al., 2015)。生殖物候也随温度梯度而变化，尽管一般模式不太清楚。例如，在高纬度地区，拟南芥的开花时间要比在低纬度地区晚，因为春天样的条件较晚到来(Stinchcombe et al., 2004；Lempe et al., 2005)。相比之下，其他物种在高纬度地区开花时间较早(例如Paccard等人，2014；背心,索贝尔,2021)。这些研究揭示了环境暗示机制和生殖物候模式的发展潜力，以跟踪气候变暖。在温带物种范围的温暖极限的种群对了解适应较短的冬季特别重要。这部分范围，俗称“后边缘”(Hampe &amp；Petit, 2005)，通常由至少自最后一次冰期极大期以来或多或少持续存在的遗存种群组成(LGM，约23000 - 19000年前；Hughes et al., 2013)。在多个冰期旋回和LGM之后持续变暖的气候条件下，在较暖范围内的长期持续可能导致对较暖气候的适应(Hampe &amp；小,2005)。有了这段历史，后缘可以让我们了解需要春化的物种如何适应温和的冬天，以及哪种适应可能最适合未来的变暖气候。然而，这些种群通常没有在调查气候的研究中取样，因此我们对来自最温暖栖息地的种群的物候和春化需求的了解是有限的(但参见Vest &amp；索贝尔,2021)。在这里，我们研究了与北美草本植物美洲风铃相比，后缘种群是否表现出与适应暖冬一致的分化模式。该物种需要春化，但纬度和温度梯度很宽（图1a），其祖先的后缘种群出现在山脉南部明显温暖的气候中（Barnard-Kubow et al., 2015）。为了测试后缘和其他区域之间的差异，我们首先利用从公民科学数据中收集的自然种群的广泛观察来表征不同纬度的开花物候差异，然后测试这种差异是否反映了冬季或生长季节气候的差异（观察研究）。我们还通过测试在普通温室条件下生长的不同纬度群体的开花差异来评估物候学的遗传差异（实验1）。然后，我们通过在不同纬度的普通花园（CGs）中沿纬度梯度饲养种群，评估了生殖物候学对一系列自然生长季节线索的可塑性（实验2）。最后，我们通过在实验控制的春化期长度下饲养种群，测试了春化需求和物候学可塑性对这些冬季线索的响应差异（实验3）。这四种方法使我们能够全面测试该物种范围内物候及其调节的差异。这些实验的结果不仅使我们了解了后边缘种群是如何适应其独特的栖息地的，而且还揭示了不同范围内的种群对暖冬的反应是如何变化的，以及最终的适应可能会进化到允许在未来条件下持续存在。在自然界中观察到的开花物候变化和跨纬度的相关气候因素（观测研究）。(a) iNaturalist 2018-2022年观测到的美洲大钟位置（黑点）。该物种的分布范围用灰线标出；红色箭头表示后边缘的纬度分界线。阴影表示基于Prism气候资料（https://prism.oregonstate.edu）的30年1月最低气温（1991-2020）的纬向温度梯度。(b)从(a)中观测推断出的第一朵花的日期。(c)春化期的长度和(d)从气候资料中每次观测推断出的生长季节开始和开花之间的时间。颜色表示观测是发生在第一次开花当天的纬度梯度上确定的断点（34.98°N，虚线）以下（红色）还是之上（黑色）。实线表示每个变量与纬度之间的关系的显著模型预测斜率，分别对应于断点，95%置信区间表示为阴影。测试统计数据如表1所示。表1。在美洲风铃的纬度范围内，相对于预测的断点，第一次开花的日期、春化的长度和生长季节开始和开花之间的时间的变化测试。因变量纬度(L)断点（BP）L × BPβ < BPβ &gt； bpχ 2βχ2βχ2 βχ2首次开花日- 5.961.8823.59*** - 273.1039.52***7.8537.84***0.180.18春化长度2.6310.7513.57*** - 289.84130.99***8.12119.59***0.930.95开花至生长期开始时间- 15.58 - 1.37107.87*** - 493.6885.97***14.2582.81***0.460.54所有因变量均假定服从高斯分布。利用bobyqa优化器对各模型进行了优化，提高了收敛性。检验统计量包括每个效应的斜率（β）、卡方值和模型的R2，只考虑固定效应（边际效应，）或固定和随机效应（条件效应，）。对于纬度的影响，在纬度（34.98°N）的预测断点（BP）以下或以上部分的范围内估计了β。***, P < 0.001。由于每个固定效应的p值在开花日期和开花到生长季节开始的时间之间是非独立的，因此对它们进行了Bonferroni校正，但显著性阈值没有变化。随机效应的结果没有显示。

本文章由计算机程序翻译，如有差异，请以英文原文为准。

求助全文

约1分钟内获得全文去求助

来源期刊

New Phytologist 生物-植物科学

自引率

5.30%

发文量

728

期刊介绍： New Phytologist is an international electronic journal published 24 times a year. It is owned by the New Phytologist Foundation, a non-profit-making charitable organization dedicated to promoting plant science. The journal publishes excellent, novel, rigorous, and timely research and scholarship in plant science and its applications. The articles cover topics in five sections: Physiology & Development, Environment, Interaction, Evolution, and Transformative Plant Biotechnology. These sections encompass intracellular processes, global environmental change, and encourage cross-disciplinary approaches. The journal recognizes the use of techniques from molecular and cell biology, functional genomics, modeling, and system-based approaches in plant science. Abstracting and Indexing Information for New Phytologist includes Academic Search, AgBiotech News & Information, Agroforestry Abstracts, Biochemistry & Biophysics Citation Index, Botanical Pesticides, CAB Abstracts®, Environment Index, Global Health, and Plant Breeding Abstracts, and others.