快速的植物性状进化可以改变沿海湿地对海平

在预测全球变化情景下生态系统命运的模型中，快速进化仍然是一个基本上未被承认的因素。在这项工作中，我们量化了植物性状的遗传变异和性状进化在解释沿海湿地生态系统状态预测中的变异性方面的作用。从时间分层种子库中“复活”的显性美洲莎草（Schoneopletusamericanus）基因型的一项常见花园研究表明，遗传变异和进化解释了关键生态系统属性，如地下生物量的分配和分布。将可遗传性状变异和进化纳入生态系统模型改变了碳积累和土壤表面增积（沼泽对海平面上升的恢复力的决定因素）的预测，表明了在预测生态系统动态时考虑进化过程的重要性。

长期以来，生物特征被理解为驱动生态系统功能，如元素循环（1，2）。越来越多的证据表明，物种内可遗传的性状变异可以介导生态系统过程，其程度与物种间的性状变异相当（图1B）（3，4），并且性状可以以足够快的速度进化，以产生在当前人类环境变化的时间尺度上改变生态系统动态的反馈（图1C）（5）。总之，这表明进化过程在调节生态系统功能方面发挥了比先前想象的更大的作用（6-8）（图1）。尽管人们对这种可能性越来越重视，但预测解释遗传变异和进化过程的生态系统功能的努力在数量和范围上仍然有限（4，9–12），部分原因是仍需要实证研究来明确证明遗传变异和快速进化是否是生态系统变化的重要驱动因素。研究生物的遗传性状变异是理解生物进化是否会影响生态系统动力学的必要步骤（6）。研究历史时期可遗传性状的变化可能会进一步揭示生物进化如何引发生态系统水平的重大变化（13，14）。

图1。美洲S.americanus可遗传变异对沼泽增生和碳封存的潜在影响。

（A）目前的沼泽增生模型没有考虑性状的遗传变异，只考虑了地上生物量对洪水的塑性响应。从浅蓝色到深蓝色环境的洪水泛滥增加了地上生物量。（B）遗传变异可能会产生非附加性的代内后果。例如，基因型之间的相互作用可以导致促进（+）或抑制（-）改变多元文化的平均特征值，从而改变生态系统过程的平均预测。（C）选择可能会改变植物的特征手段，导致进化变化。（D）地下性状的变异可能与地上性状的变异不成比例；因此，捕获地下性状变异对于准确预测生态系统过程的变化至关重要。（E）代内多样性效应[来自（B）]可以[来自（C）]。在（B）至（E）中，不同颜色的植物代表同一物种的不同基因型。

在沿海沼泽地，优势植物充当生态系统工程师，促进土壤表面的增长，这一过程使沼泽地几千年来与海平面的上升保持同步，对其恢复力至关重要（15）。此外，与其他生态系统的土壤相比，沿海沼泽土壤中的高植物生产力和缺氧条件下的低分解率相结合，导致每个区域的碳累积率不成比例地高（16，17）。模型和经验综合已经证明了优势沼泽植物的特性和生长对这些和其他生态系统过程的贡献（18，19）。由于沿海沼泽通常具有较低的植物物种多样性，种内性状变异可能在生态系统过程中发挥重要作用（12，20）（图1，B和C）。

地下植物特性对沼泽生态系统过程有着强烈的影响。例如，沼泽地的增加对每年的根系更替有强烈的反应，这会扩大沼泽地土壤，而植物介导的分解会减少土壤体积（21，22）。因此，地下结构是碳库的主要贡献者，地下生产力与碳积累密切相关。地下性状变异的经验估计，无论是可遗传的还是其他的，都是稀疏的（23，24），这导致了一个常见的简化假设，即地下性状与地上性状的比例是固定的（图1D）。这是一个潜在的不现实假设，特别是考虑到研究表明，根与茎的比率可以快速演变，并在响应应力（25，26）时表现出显著的可塑性，这可能会使预测产生偏差（27，28）。

在这项工作中，我们将一个普通的花园实验与一个生态系统模型（29）配对，以量化植物性状中的遗传变异和性状进化在解释碳积累和土壤表面积累预测中的变异性方面的作用（图1）。我们使用北美沿海沼泽中的优势莎草——美洲雪莲花的16种基因型来表征可遗传的性状变异，这是与沿海湿地相关的广泛全球变化研究的主题，并