将进化历史纳入对红树林物种叶片面积质量及其各组成部分变异性的解释中

《Aquatic Botany》：Incorporating evolutionary history in the explanation of the variation in leaf mass per area and its components of mangrove species

红树林叶片质量每单位面积（LMA）变异由厚度和密度共同驱动，但厚度更受环境调控表现出系统发育可塑性，密度则受进化历史约束。研究基于中国30种红树林，发现两者对LMA贡献相当，且厚度与LMA的关联具有更强的环境适应性，而密度关联具有更强的系统发育保守性，提示LMA作为资源投资策略指标在红树林中适用性受限。

　　

贾斯汀·鲁格玛（Justin Rugema）|瓦西姆·阿克拉姆（Waseem Akram）|高静（Jing Gao）|扎奇·加萨纳（Zachee Gasana）|弗里达·西迪克（Frida Sidik）|李莉（Lili Wei）

中国科学院城市环境研究所，中国厦门

摘要

单位面积叶质量（LMA）与植物的资源投入策略密切相关。在大多数陆地植物中，LMA的变化主要由叶密度驱动。然而，红树林为了适应盐碱环境，发展出了含水量高的多肉叶片。因此，我们假设在红树林中，解释LMA变化时不能忽视叶片厚度，并且叶片厚度的系统发育可塑性比密度更高。为了验证这一点，我们分析了叶片厚度和密度对LMA变化的相对贡献，并评估了这两种因素在中国30种红树林物种中的系统发育信号。结果表明，叶片厚度和密度对红树林物种的LMA变化都有相当大的影响。LMA与叶片厚度之间的共变在系统发育上基本独立，而LMA与叶片密度之间的关系则具有系统发育保守性。这种解耦表明，红树林通过响应环境的叶片厚度调整来调节LMA，而叶片密度则是一个更受进化限制的性状。因此，这些发现对将LMA作为红树林植物资源投入策略的直接指标的普遍适用性提出了质疑。

引言

单位面积叶质量（LMA）定义为叶片干质量与叶片面积的比值，它是一个基本的植物经济性状，整合了叶片结构、资源投入和生态策略（Reich, 2014; Wright et al., 2004）。叶片经济谱表明，较高的LMA和更密集的组织通常反映了较慢的资源投入策略（Reich, 2014; Wright et al., 2004）。这种关系之所以存在，是因为较高的LMA需要更大的结构投入，包括更厚的支持组织、更小的细胞尺寸、更高的碳含量以及较低的氮可用性（Niemann et al., 1992; Poorter and Bergkotte, 1992; Van Arendonk and Poorter, 1994）。这些结构变化增加了单位叶片面积的建造成本，通常导致光合作用速率降低（González-Zurdo et al., 2016; Niinemets, 2016; Niinemets and Sack, 2006）。 LMA由两个主要成分决定——叶片密度和厚度——它们之间通常存在权衡关系（Poorter et al., 2009）。虽然在大多数陆地植物中，尤其是落叶物种中，叶片密度（单位体积干质量）主导了LMA的变化（Castro-Díez et al., 2000; de La Riva et al., 2016; Villar et al., 2013），但多肉物种则表现出相反的模式，即密度较低但厚度较高（Poorter et al., 2009; Vendramini et al., 2002）。这种反转源于它们扩大的叶肉细胞和专门的水分储存组织（John et al., 2017）。对阿根廷中西部77种植物的分析显示，只有排除多肉植物后，LMA与叶片含水量之间的关联才显著，这表明叶片多肉性和叶片含水量可以独立于LMA（Vendramini et al., 2002）。 红树林代表了多肉适应的一个特例，它们发展出了富含水分的叶片和扩大的叶肉细胞以适应盐碱环境（Naskar et al., 2021）。此外，还有其他盐适应特征，如厚角质层、叶脉末端扩大的管胞以及叶肉中的分支石细胞等（Naskar et al., 2021）。所有这些因素都导致了叶片厚度的增加。因此，我们假设在红树林中，叶片厚度而非密度是驱动LMA变化的主要因素。 红树林群落表现出显著的进化趋同现象，具有不同系统发育背景的物种在应对共同环境压力时发展出了相似的表型特征（Losos, 2011）。这种趋同在基因水平上也得到了体现，并表明存在强烈的环境筛选作用（He et al., 2020）。我们假设叶片厚度在塑造红树林物种的LMA变化中起主导作用，并且可能具有系统发育可塑性。为了验证这一假设，我们分析了叶片厚度和密度对LMA变化的相对贡献，并同时评估了系统发育因素对性状共变模式的影响。

实验区域和采样

采样在热带和亚热带地区进行（图S1）。位于海南省东北部的东寨岗国家自然保护区（经度E110°34'至E110°38'，纬度N19°38'至N20°01'）以及文昌市沿海地区的青兰港红树林省级自然保护区（经度E110°40'至E110°48'，纬度N19°22'至N19°35'）代表了热带红树林生态系统。福建省厦门市的采样点也参与了研究。

叶片密度和叶片厚度对LMA变化的相对贡献

PGLS分析显示，叶片厚度（斜率 = 1.06 ± 0.15，R2 = 0.66，p < 0.001）和密度（斜率 = 0.90 ± 0.21，R2 = 0.37，p < 0.001）都与LMA呈正相关（图1a, b）。PGLS分析还表明，系统发育历史对LMA-厚度关系的影响较弱（λ = 0.25），而对LMA-密度关系的影响较强（λ = 1）。TIP和PIC比较的结果显示，PIC系数的值略高（TIP: R2 = 0.19，p < 0.001；PIC: ...）

讨论

我们的研究结果证实了叶片厚度在驱动LMA变化中起着重要作用，尽管其重要性与叶片密度相当。这一模式与大多数陆地植物群落的观察结果相反（Castro-Díez et al., 2000; de La Riva et al., 2016）。例如，在一组实验室培育的52种欧洲木本植物幼苗中，单位面积叶质量（1/LMA）仅与叶片密度相关，而与叶片厚度无关（Castro-Díez et al., 2000）。

结论

本研究支持以下假设：在红树林中，叶片厚度和密度相对驱动LMA的变化，其中叶片厚度在应对环境压力（如盐度）时表现出可塑性，而密度则更受系统发育历史的限制。

作者贡献

L.W.设计了研究的概念和方法流程。R.J.、W.A.、G.J. 和 L.W. 进行了实验。R.J. 主要负责数据分析。R.J. 和 L.W. 撰写了手稿。所有作者（J.R.、W.A.、G.J.、Z.G.、F.S. 和 L.W.）讨论了结果，在手稿准备过程中提供了意见，并同意发表。

CRediT作者贡献声明

李莉（Lili Wei）：撰写 – 审稿与编辑、可视化、验证、监督、资源管理、方法论、调查、资金获取、正式分析、数据管理、概念构建。 高静（Jing Gao）：撰写 – 审稿与编辑、调查。 瓦西姆·阿克拉姆（Waseem Akram）：撰写 – 审稿与编辑、调查。 弗里达·西迪克（Frida Sidik）：撰写 – 审稿与编辑、资金获取。 扎奇·加萨纳（Zachee Gasana）：撰写 – 审稿与编辑。 贾斯汀·鲁格玛（Justin Rugema）：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本研究在中国科学院城市环境研究所的城市水环境过程与生态风险实验室进行。我们感谢以下机构的财政支持：福建省国际合作项目（项目编号：202310034）、中国科学院南海海洋研究所热带海洋学国家重点实验室（项目编号：LTO2103）以及中国科学院中捷特别交流项目。