Simulated intertidal heat stress on the brown seaweed Ascophyllum nodosum demonstrates differential population sensitivity to future climate

IF 5.3 1区环境科学与生态学 Q1 ECOLOGY

Journal of Ecology Pub Date : 2025-04-03 DOI:10.1111/1365-2745.70037

Luís F. Pereira, Francisco Arenas, Rui Seabra, Rita da Silva, Cátia Monteiro, Joana Pereira, Cândida G. Vale, João Serôdio, Silja Frankenbach, Vittoria Ghiglione, Pedro Ribeiro, Fernando P. Lima

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模拟潮间带热胁迫对褐藻的影响，揭示了褐藻种群对未来气候的不同敏感性

气温在大气和海洋领域都呈现出令人担忧的趋势(Kemp et al., 2022；Oliver et al., 2019)。预计这些趋势将加剧，到本世纪末，全球气温预计将上升1至5°C，海面温度将上升1.6至4°C （Pörtner et al., 2022）。重要的是，由于两个域的变暖模式不同，小尺度上的时空异质性也可能呈上升趋势（Coumou等人，2013）。因此，了解这种小规模的温度变化如何影响个体的生理和随后的种群恢复力，对于准确预测气候变化对生物的影响至关重要（Choi et al., 2019）。居住在潮间带岩石海岸的物种为这些研究提供了特殊的机会。尽管它们来自海洋，但它们在退潮期间会周期性地经历陆地环境，这时体温在几个小时内波动可达20°C （Seabra et al., 2011）。因此，岩岸生物被认为是气候变化的敏感指标(Mislan et al., 2014；Wethey,Woodin, 2008)。然而，在实验研究中明确结合潮间带的热复杂性提出了实质性的挑战。首先，确定适当的实验温度处理并不总是微不足道的。一个共同的框架是识别热浪和寒流，将其定义为与典型气候条件的显著偏差(Domeisen等人，2023；Hobday等人，2016)，并利用它们来表征和量化天气异常。但是，尽管极端事件明显与藻类（Thomsen等人，2019）、海草（Strydom等人，2020）和底栖无脊椎动物(Le Nohaic等人，2017；Traiger et al., 2022)，温和但现实的温度变化也会导致有意义的影响。例如，在野外移栽后，贻贝（Perna canaliculus）的存活率被发现与重现期在中等温度（>25°C）中度过的时间有关（Benjamin et al., 2024），这一细节只能通过原位温度传感器正确捕获。此外，当栖息地形成物种受到影响时，这些影响可能更为严重，引发对生物多样性、群落结构和生态系统服务的级联效应(Garrabou et al., 2022；赫斯基,哈雷,2023;small et al., 2017)。其次，必须在与所研究的生物体相关的尺度上获取环境数据（Potter et al., 2013），这可能很难实现。在涨潮期间，获取沿海边缘的长期准确数据已经很困难了(Brewin等人，2018；卡斯蒂略,利马，2010)，因为遥感数据往往缺乏捕获海岸附近海温急剧梯度所需的时空分辨率（Meneghesso等，2020）。这项任务在退潮期间变得更具挑战性，因为甚至来自附近气象站的数据也被证明忽略了潮间带气温的极端变化（Lathlean et al., 2011）。然而，完全忽略这些温度可能会导致对某些物种的临界热极限的误解。至关重要的是，尽管这仍然是一项复杂的后勤任务，但这一挑战现在已经通过开发小型、坚固和自主的温度记录仪（例如Lima和Wethey(2009)）在很大程度上得到了解决，这些记录仪可以在涨潮和退潮期间持续记录每小时的温度数据，并在研究生物的规模上进行记录（Lima等人，2016）。第三，必须考虑到生物自身生理反应的潜在地理差异。这在地理范围广、流动性低的物种中尤为重要（Straub等人，2019），例如大型藻类，它们可能表现出表型可塑性或局部适应性(Hernández等人，2023；King et al., 2018)。检测种群耐热性水平变化的最常用方法之一是进行普通花园实验，在统一的环境条件下测试来自不同来源的种群（King et al., 2018）。到目前为止，不同物种和实验的结果各不相同，研究结果有时指向热适应分布边缘，有时则揭示出意外的耐受中心种群(DuBois et al., 2022；King et al., 2019)。无论如何，重要的是要认识到，如果它们经历的温度最终超过其适应阈值，即使是耐热种群也可能面临未来的挑战（Pearson et al., 2009）。因此，只有在预测的气候背景下，才能充分理解人口热恢复能力的重要性。考虑到这些挑战，我们旨在评估岩藻类Ascophyllum nodosum （Fucales, Phaeophyeceae）在其分布范围内模拟潮间带热应激的生理反应的宏观生态后果。A. nodosum是北大西洋沿岸一种重要的生境形成物种，常见于东部从挪威到葡萄牙，西部从加拿大巴芬岛到美国纽约的潮间带岩石海岸。它是一种生长相对缓慢，寿命较长的物种，估计最大寿命为60年，并且能够通过其基部的营养发芽产生无性系个体（Åberg, 1992）。通常被称为冷适应物种，夏季水温被认为是其南部种群的限制因素（l<s:1> ning, 1990）。重要的是，这些南部种群与其他物种范围并不相邻。相反，它们在地理上是分开的，并被限制在伊比利亚半岛的西北部，由于夏季月份的冷水上涌，这是冷适应物种的生物地理据点（Monteiro et al., 2022）。我们使用定制的实验装置，通过精细控制水温、红外（IR）辐射和空气循环，逼真地模拟潮汐、光线，以及更重要的是，每天的淹没和浮出温度轨迹（Pereira et al., 2025）。样本种群跨越北纬41°至60°的纬度范围，涵盖了该物种在整个欧洲的大部分纬度范围。真实的温度轨迹是基于每小时的温度数据，这些数据来自部署在采样种群栖息地的原位记录器。为了了解冷水在以上升流为主的南部分布极限中的重要性，我们模拟了两种水温情景，一种是典型的上升流强期（较冷），另一种是上升流松弛期（较暖）。然后，我们通过生长、死亡率和氧气产量来评估生理性能。根据收集到的数据，我们推断存在不同的热生态型。我们将当前人群特定的生理反应与未来温度预测结合起来，运行人口模型(Schiel &amp；Foster, 2013)参数化到所研究的特定种群（Åberg, 1992），以便在该物种的整个欧洲范围内产生长期种群预测。

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Journal of Ecology 环境科学-生态学

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期刊介绍： Journal of Ecology publishes original research papers on all aspects of the ecology of plants (including algae), in both aquatic and terrestrial ecosystems. We do not publish papers concerned solely with cultivated plants and agricultural ecosystems. Studies of plant communities, populations or individual species are accepted, as well as studies of the interactions between plants and animals, fungi or bacteria, providing they focus on the ecology of the plants. We aim to bring important work using any ecological approach (including molecular techniques) to a wide international audience and therefore only publish papers with strong and ecological messages that advance our understanding of ecological principles.