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植物表型组学研究丨植物表型可塑性概况

发表时间:2019-07-10 14:28:06点击:120

来源:北京博普特科技有限公司

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生物有机体可以改变它们的发育、生理以及生活史来适应环境的变化,一个特定的基因在不同的环境下表现出不同表型的现象称之为表型可塑性。

表型可塑性作为生物有机体发育、功能及进化的一个重要理论,让人们对基因的概念有了重新的认识。基因改变其表型的能力被认为是一种负面的干扰,它使得人们搞不清基因真正的含义,换句话说,不知道如何定义基因的特征。此外,它带来一种问题叫做不稳定性。是一种类似个体属性的特征。由这种想法而产生了一种现象叫做“不稳定性”一错误的源泉,就如我们形容一个不稳定的人不值得信赖一样。但是这种不稳定性是一个严肃的问题。它表示因为缺乏适应,一种基因或者形状将被会边缘化。从那时候起,研究学者开始注意把稳定性作为特征对待,开始对适应进行深层次的学术讨论,以及探讨稳定性是如何建立的。

在研究的后期,人们认为不稳性定有其两面性,变化的能力可能很重要,并把这种能力叫做“可塑性”。可塑性是一种复杂的特征,使物种适合于不同的环境。对于植物而言,因其不能像动物 那样通过改变行为而适应环境的变化,所以,表型可塑性是非常重要的。植物因其能够阐明可塑性的机制,以及可以通过控制试验来演示而显得非常有研究价值。例如,多数植物在黑暗中生长时呈现黄化现象,由于遮阴使得光合产物少,植物可能长的较小,而事实并非如此;此外植物接受和反映的黄化现象存在树种差异,并不是所有的物种都存在黄化现象。进一步研究表明,对比试验是一种不错的方式。这包括在不同的环境下观察相关的植物种及植物种群。相关的植物种群可能更好一些,因为它可能含有密切的基因的姻亲关系,一些观察到的差异可能与现状更为相关 。植物种间的差异可能在以前的环境就已产生了,而与现状的联系则不容易阐述。

功能可塑性;植物在获取资源过程中形成的可塑性被称为功能可塑性,例如植物在土壤贫瘠的生境下会将更多的碳水化合物分配到根系中,以获取更多的养分,而在低温少雨的环境中树木会通过改变叶片的光合能力和元素含量来提高光合速率和水分利用效率。这是因为在这种低温少雨的环境下,树木需要获得更多的光合产物去抵御寒冷的气候和获取足够的水分,因此需提高自身的净光合速率。来自高低温少雨地区的植物通过提高表观光量子效率和降低光补偿点使得叶片能够在弱光下就可以高效的利用光能产生需要的碳水化合物,通过提高最大羧化效率、最大电子传输速率、磷酸丙酮糖利用效率可以使叶片具有更加快速、有效的碳同化能力,通过提高叶肉导度可以使外界CO快速的进入叶绿体基质进行光合作用,这些都为高低温少雨地区的树木具有高的净光合速率奠定了生物学基础。此外,较高的叶氮浓度和叶绿素含量也为获取更多的光合产物提供了物质保障。

结构形态可塑性;植物各种构件的形态结构特征也具有较强的可塑性,如叶片的厚度、根系的构型、枝条的形态、树干的结构都可能随环境变化而变化。通过对植物构件形态结构的研究使我们能深人的了解植物在对不同环境的响应和适应能力。在寒冷的环境下,植物叶片会通过增大叶片和树皮的厚度来抵御较低的温度。在干旱的条件下根系通过增加一级根的数量和长度来获取更多的水分。在自然条件下,植物会通过改变枝条以及树冠的形状和方向,来获取更多的光照。

生活史可塑性;已有研究表明很多生活史的特征对环境都有不同的反映,如:性别表达,繁育系统,生殖分配以及物候等。植物在无法完整异性杂交的情况下继续繁衍生息,而不至于物种灭绝。

跨世代的可塑性;在不同的环境条件下,经过长期的适应后植物也可以通过改变繁殖体的数量和质量,以及体内的组织结构和生理生化特征,从而使其后代的表型发生变化以适应变化的环境。虽然这种现象的内在机制目前还不是很清楚,但后代的结构,发育和外形显著的被父母的环境所影响的事实已成被大家所认可。生长在养分缺乏环境下的植物,其后代能够增加根的生物量,而在缺光条件下生长的植物后代能够减少根的扩展,增加茎干的生长。当母本植物生存条件恶化时,种子散布能力也会增加。植物通过这种跨世代的可塑性,提高了其子代适应环境的能力,缩短了适应环境的时间,从而具有更强的繁殖效率和生存能力。

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