武汉大学​王忠/于丹课题组发布高寒干旱湿地植物生态化学计量学研究成果

（通讯员董美玲）近日，生态学领域期刊Ecology Letters相继发表与接收生命科学学院梁子湖国家站副教授王忠和教授于丹的两篇论文。论文题目为“Coordination between bioelements induce more stable macroelements than microelements in wetland plants”和“Plantelementalhomeostasisenhancesspeciesperformance andcommunityfunctioning inwetlands:lookingbeyondnitrogen andphosphorus”，王忠和于丹为2篇论文的通讯作者，生命科学学院已毕业博士研究生左振君（现北京大学博士后）为论文的第一作者。

全球范围内，湿地在水质净化、生物多样性保护和碳固存等方面提供了重要的生态系统服务。全球变化背景下，湿地生态系统面临着气候变化和人类活动的双重影响，退化风险极大。湿地植物是湿地生态系统的基石，其对湿地环境的适应决定了生态系统的稳定性，其在环境梯度上的变异格局有助于进一步了解全球变化背景下湿地生态系统的潜在命运。对于植物来说，大约有30种元素在参与个体生理过程和环境适应方面发挥着重要功能；植物体内元素组（elementome）的差异代表了蛋白质、糖和脂质等生物分子的不同比例，并决定着物种的形态、结构和功能，为量化植物沿环境梯度的适合度提供了极佳指标。然而，湿地植物如何在不同气候和生境条件下维持其元素组？如何通过生态化学计量内稳性优化和稳定其元素组以适应不断变化的环境？植物个体的元素内稳性如何影响物种表现和群落功能？这一系列问题的生态学机制尚不清楚。

图1 植物元素组形成过程的概念框架以及逆境环境下植物多元素网络的变化

针对上述问题，课题组首先提出了植物元素组形成过程的概念框架（图1），然后在青藏高原和中国西北干旱半干旱区进行大规模湿地植物群落调查，系统采集232个湿地群落的植物、沉积物和水体样品，并获取物种丰度和生物量数据，构建了群落-物种-器官-元素配套数据集。利用该数据集，在物种、生活型、系统发育和环境梯度等水平分析了湿地植物叶片17种元素（C、N、P、S、K、Ca、Mg、Na、Fe、Al、Mn、Si、B、Zn、Cu、Ni和Co）的变异格局以及系统发育和环境对植物元素组变异的影响机理，并探讨了植物元素组内稳性维持机制及其对植物性能和群落功能的影响。

课题组提出了“元素协调稳定性假说（Stability of Well-coordinated Elements Hypothesis）”，认为在驱动特定生理功能方面协调良好的元素之间相互制约，进而在植物体内保持相对稳定的比例，而在功能上更加独立的元素对环境变化更加敏感，表现出更高的变异性（图2）。该研究结果填补了高寒和干旱区湿地植物在碳、氮、磷以外元素研究的空白，为预测气候变化敏感区植物适应性和植物-环境相互作用提供了新的依据。

图2 湿地植物叶片多元素的变异规律和影响机理

在物种和群落水平分析了湿地植物16种元素的化学计量内稳性特征及其与物种性能和群落功能的关系。研究发现，物种水平P、K、Ca和Na化学计量内稳性与物种丰度、生物量、优势度和稳定性均显著正相关，表明具有较高化学计量内稳性的物种表现为更强的物种性能；群落水平相应元素的化学计量内稳性显著促进了沉水植物群落生物量。高元素内稳性物种的养分保守策略可能是驱动物种分布和生物量稳定性的关键机制，使它们在养分波动或限制的环境中更高效地利用资源，维持竞争优势，并最终主导群落结构和功能（图3）。这些发现为预测湿地植物丰度分布及其群落对环境变化的适应潜力提供了多元素视角。

图3 植物多元素化学计量内稳性与元素变异、物种性能和群落功能之间的关联机制

据悉，王忠为武汉大学派出的援藏干部人才，2022年以来在西藏大学担任生态学学科带头人。研究工作得到了国家自然科学基金（32360287）和科技部科技基础性工作专项（2013FY112300）资助。

论文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/ele.70025

（供图：生命科学学院 编辑：相茹）