東北地理所在激素調(diào)控外來植物入侵研究中取得新進(jìn)展
外來植物成功入侵機(jī)理研究是當(dāng)今生態(tài)學(xué)研究的熱點(diǎn)問題之一。天敵逃逸假說認(rèn)為入侵植物在引入地會(huì)逃逸掉大量專食天敵，因此入侵植物會(huì)將用于防御資源投資到生長，進(jìn)而生長更快、更具競爭力。盡管該假說合理解釋了外來入侵植物為何具有更強(qiáng)的生長優(yōu)勢(shì)這一科學(xué)問題，但是對(duì)于其背后的生理生態(tài)學(xué)機(jī)制仍缺乏深入探討。
植物體內(nèi)諸多激素能夠調(diào)控自身的生長發(fā)育、以及對(duì)天敵的防御。其中，赤霉素和茉莉酸是非常重要的一對(duì)拮抗調(diào)控植物生長和防御的激素。基于此認(rèn)知，結(jié)合天敵逃逸假說，生物入侵生態(tài)學(xué)學(xué)科組劉艷杰研究員（第一作者）與臺(tái)州學(xué)院于飛海教授（通訊作者）從激素調(diào)控外來植物生長和防御權(quán)衡方面提出一個(gè)新的概念模型（圖1）——由于入侵植物在引入地逃逸掉許多專食性天敵采食，其茉莉酸途徑會(huì)下調(diào)降低植物防御投資，赤霉素途徑上調(diào)提高生長投資；而由于受到更多天敵采食，本地植物則茉莉酸途徑上調(diào)增加防御，赤霉素途徑下調(diào)減小生長。因此，入侵植物比本地植物更具生長優(yōu)勢(shì)。
圖1 天敵逃逸引起外來植物生長-防御權(quán)衡改變進(jìn)而調(diào)節(jié)其激素水平的新概念模型：在抵御植食性昆蟲取食時(shí)，植物會(huì)上調(diào)茉莉酸（JA）信號(hào)通路的表達(dá)，而茉莉酸信號(hào)通路會(huì)抑制植物生長激素赤霉毒（GA）的表達(dá)，因此，當(dāng)植物未遭受昆蟲取食或者遭受到少量昆蟲取食時(shí)，植物會(huì)產(chǎn)生較少的茉莉酸而增加赤霉素的含量。在原產(chǎn)地，外來植物會(huì)遭受較多的專食性和廣食性天敵，因而會(huì)上調(diào)茉莉酸的表達(dá)而抑制赤霉素的表達(dá)。反之，在入侵地，外來植物由于逃逸了原有的專食性天敵，因而會(huì)降低茉莉酸的含量而增加赤霉素的含量。由于赤霉素可以促進(jìn)植物生長，因而外來植物的生長會(huì)優(yōu)于本地植物。圖中的實(shí)心橙色箭頭表示本研究驗(yàn)證的過程。
為了驗(yàn)證該框架，該研究從圖1概念模型的末端著手，利用赤霉素合成抑制劑多效唑阻斷植物內(nèi)源性赤霉素生物合同途徑的方法，探究不同營養(yǎng)水平下，赤霉素對(duì)入侵植物和本地植物生長的調(diào)控作用。結(jié)果表明，赤霉素抑制劑多效唑施加導(dǎo)致植物地上生物量、地下生物量和單株總生物量顯著減少，并且入侵植物的地下生物量和總生物量的減少強(qiáng)于本地植物。進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，赤霉素抑制劑多效唑顯著降低了入侵植物的根生物量占比。因此，入侵植物比本地植物具有更強(qiáng)的生長優(yōu)勢(shì)可能是因?yàn)槌嗝顾馗艽龠M(jìn)其根系生長，進(jìn)而其能夠在地下資源獲取方面占據(jù)優(yōu)勢(shì)，即入侵植物比本地植物更加受益于內(nèi)源性赤霉素對(duì)生長的促進(jìn)作用。
圖2 不同水平多效唑（PBZ：赤霉素合成抑制劑）和養(yǎng)分處理對(duì)入侵植物和本地植物(a) 地上生物量，(b) 地下生物量，(c) 總生物量，和 (d) 根質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響
該成果于近期發(fā)表在生態(tài)學(xué)期刊Oikos上，論文信息如下：
Liu, Y., Oduor, A.M.O., Dai, Z.-C., Gao, F.-L., Li, J., Zhang, X. and Yu, F.-H. (2021), Suppression of a plant hormone gibberellin reduces growth of invasive plants more than native plants. Oikos. https://doi.org/10.1111/oik.07819
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