功能性状与生物互作对外来植物入侵的协同调控作用研究

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外来物种入侵严重威胁生态安全和国家安全,且过去200年间全球物种入侵形势日益严峻。因此,探明物种入侵机制、提高人们预测外来物种入侵风险能力已成为一个亟待解决的课题。植物功能性状能够调控种间相互作用和外来植物入侵进程,具有用于预测外来植物入侵风险的潜力。然而,目前的相关研究侧重比较外来和本土植物功能性状和对非生物环境响应,而功能性状如何影响生物间相互作用进而调控外来植物入侵目前尚不清楚。有鉴于此,选取我国常见外来和本土植物为对象,整合控制实验和野外调查,从生物间相互作用视角开展系列研究。探讨了:1)单独发生时,外来和本土植物功能性状是否存在差异;外来和本土植物是否聚集不同根际真菌群落、真菌群落是否与植物功能性状关联?2)复杂生物环境(如存在种间竞争)下,外来和本土植物功能性状是否存在差异?如果存在,能否提高外来植物竞争能力?获得以下主要结果:(1)单独发生时,外来和本土植物功能性状无显著差异外来(71种)和本土(59种)植物大多数功能性状(如生物量、株高、资源分配策略)的数值和不同性状间的权衡关系等均无显著差异;仅发现本土植物少数叶片性状(如叶片干物质含量、单片叶面积、叶片碳和氮含量和两者比例)的数值与外来植物存在显著差异。所测定多数植物功能性状的数值主要受物种进化历史决定,即亲缘关系较近的植物功能性状数值相似性较高。此外,广泛分布的植物的一些功能性状随取样纬度变化而改变。(2)单独发生时,外来和本土植物根际真菌群落无显著差异且受到功能性状调控在野外,常见局域共发生外来(27种)和本土(26种)植物的根际真菌群落组成、所有和专一性真菌OTUs丰富度等均无显著差异。根际真菌群落主要受到植物进化历史决定,而植物来源(外来和本土)和非生物环境(如气候、土壤pH等)影响微弱。外来和本土植物根际真菌群落均表现出空间异质性特征。中纬度地域,外来植物根际真菌群落种间差异程度高于本土植物根际真菌群落种间差异。此外,植物功能性状与菌根真菌群落组成存在显著的关联。温室条件下,单独种植的8对外来和本土植物根际真菌群落组成、专一性真菌OTUs的丰富度等亦无显著差异,且主要受到植物进化历史决定。(3)复杂生物环境下,功能性状的差异性响应赋予了外来植物竞争优势将常见同域外来和本土植物共130种分别混种于田间,外来植物的单株地上生物量和株高总体上显著高于本土植物,获得竞争优势。不同地理来源植物或种群的表现存在差异,如采集于广东、广西和山东的外来植物单株地上生物量显著高于本土植物;采集于湖南、湖北和河南的外来和本土植物单株地上生物量无显著差异。选取7种外来植物于桂林和郑州开展同质园实验发现,昆虫取食对外来植物与本土植物的竞争关系无显著影响,而繁殖体压力仅在桂林显著提高外来植物竞争能力。上述发现说明:与本土植物具有相似的功能性状,可能有助于早期(如单独发生时)外来植物建立种群;功能性状对复杂生物环境(如种间竞争和种内相互作用等)的差异性响应赋予了外来植物竞争优势,促进外来植物入侵。这些发现还表明植物功能性状对外来植物入侵的调控作用存在空间异质性特点,可能是植物功能性状改变和环境(如生物和非生物环境)变化的综合结果。因此,未来研究有必要从生物相互作用视角进一步探讨植物功能性状对外来植物入侵的调控、机制和空间变化规律,提升当下和未来气候背景下预测和应对外来植物入侵的能力。我们的发现拓展了人们对功能性状如何影响外来植物入侵、本土土壤微生物与外来植物相互作用关系及其演化的理解,丰富了入侵生物学理论。
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