物候阶段依赖的层次化响应机制调节了极端干旱对半干旱草原碳通量的影响

《New Phytologist》：Phenological stage-dependent hierarchical responses mediate extreme drought impacts on carbon fluxes of a semiarid grassland

生态系统碳平衡受植物物候阶段依赖的层级响应影响，但极端干旱下分子-生理机制及碳通量级联效应尚不明确。本研究在半干旱草原不同物候期（生长期、开花期、成熟期）施加极端干旱，揭示植物基因调控、光合生理及物候响应的时空异质性，发现干旱胁迫通过抑制生长代谢基因（生长期）、抗氧化能力（开花期）和加速衰老（成熟期）导致碳通量显著下降，为预测极端干旱对陆地碳循环的影响提供理论依据。

　　

摘要

• 生态系统碳平衡受到植物物候阶段依赖性的分层响应的影响。然而，导致这些响应在极端干旱条件下发生变化的分子和生理机制，以及这些变化对半干旱草原碳通量的连锁效应，目前仍不清楚。
• 在半干旱草原的返青期、生长高峰期和衰老期，我们分别从分子、个体、群落和生态系统层面测量了植物基因、光合作用生理、物候阶段和二氧化碳（CO₂）通量。
• 植物对极端干旱的分层响应机制在不同的物候阶段有所不同。在返青期，干旱会抑制生长、代谢和与生长素相关的基因表达，从而延迟返青时间并减少碳交换。在生长高峰期，干旱会抑制与光合作用、氧化还原酶和谷胱甘肽途径相关的基因表达，降低抗氧化活性，这导致光合作用能力和地上生物量显著下降，进而使碳通量受到最大程度的抑制。在衰老期，干旱会促进叶绿素降解相关基因的表达，并抑制茉莉酸途径相关基因的表达，加速衰老过程，从而减少碳吸收。
• 我们的研究强调了植物物候和季节性干旱发生时间在驱动从分子到生态系统层面的碳循环响应中的关键作用，有助于更好地预测极端干旱对陆地碳动态的影响。

数据获取

本研究的支持数据可从Figshare仓库获取：https://figshare.com/s/e1d9b980f7c167cd0ad8。Leymus chinensis的转录组数据已存入NCBI序列读取档案（SRA），生物项目编号为PRJNA1354790。