CO2浓度升高对马兜铃年龄依赖性次生代谢物、碳氮比及生长的影响及其生态意义

为探究气候变化下多年生植物资源分配策略的发育可塑性，研究人员以马兜铃（Aristolochia contorta）为模型，通过模拟RCP 4.5情景（540 ppm CO2）研究不同年龄植株（1/2/10年生）的生长性状、C/N比及次生代谢物变化。发现CO2升高抑制全年龄段生长但促进幼龄植株地上部马兜铃酸积累，成熟植株转向生物碱防御，揭示了多年生植物应对气候变化的适应性防御策略重构机制。

　　

论文解读
随着大气CO₂浓度持续攀升，多年生植物如何跨发育阶段协调生长与防御资源分配成为生态学研究热点。马兜铃（Aristolochia contorta）作为东亚特有多年生藤本，其与濒危蝴蝶Sericinus montela的专性寄生关系更凸显了理解其防御策略的环境响应机制对生物多样性保护的重要性。现有研究多聚焦一年生植物，而多年生植物在生命周期中经历的复杂资源权衡——从幼年期的高防御投入到成熟期的繁殖优先策略——在气候变化背景下的动态变化仍属未知。

为解决这一科学问题，韩国首尔大学Jae Geun Kim团队通过开放顶棚气室（OTC）实验，系统研究了1/2/10年生马兜铃在环境CO₂（400 ppm）与升高CO₂（540 ppm）下的表型可塑性。研究发现CO₂升高使所有年龄段植株的株高、茎粗、叶面积等生长性状显著降低，其中1年生植株生物量降幅达21.3%。更具突破性的是发现次生代谢物的发育阶段特异性响应：幼龄植株地上部马兜铃酸I/II浓度在CO₂升高条件下增加35-48%，而10年生植株则转向积累酪氨酸衍生生物碱magnocurarine和magnoflorine（增幅达52%），印证了"最优防御理论"预测的发育防御策略转换。该成果发表于《Science of The Total Environment》，为预测气候变化下植物-昆虫互作网络演变提供了关键理论框架。

关键技术方法
研究采用开放顶棚气室（OTC）模拟RCP 4.5气候情景，设置环境CO₂（400 ppm）与升高CO₂（540 ppm）两组处理。采集韩国平泽地区的马兜铃种子培育1年生植株，配合野外采集的2/10年生植株构成年龄梯度（n=8/组）。通过HPLC定量分析地上/地下组织的aristolochic acids I/II及magnocurarine、magnoflorine浓度，结合元素分析仪测定C/N比，采用广义线性混合模型（GLMM）进行多因素统计分析。

研究结果

1. 植物年龄与CO₂变化对生长的影响
   所有生长参数均随年龄显著增加（p<0.001），但CO₂升高使1年生植株茎粗降低19.2%，叶生物量减少21.3%。10年生植株虽保持最高生物量，但其根冠比在ECO₂下增加17%，显示资源向地下存储的转移。

2. C/N比与次生代谢物的发育动态
   1/2年生植株地上部C/N比在ECO₂下显著降低（p=0.003），而10年生植株无变化。次生代谢物呈现明显年龄特异性：幼龄植株地上部马兜铃酸浓度与CO₂呈正相关（r=0.82），成熟植株则主要积累magnocurarine（地下部浓度达1.24 mg/g DW）。

结论与意义
该研究首次揭示了多年生植物防御策略的CO₂响应存在发育阶段依赖性：幼龄植株通过增加氮密集型马兜铃酸强化化学防御，成熟植株则转向碳效率更高的生物碱策略。这种资源分配重构可能影响专性植食者（如S. montela）的食物质量，进而改变生态互作网络。研究为理解气候变化下植物适应性进化提供了新视角，对濒危物种保护政策的制定具有指导价值。