中国科学家进一步揭开植物入侵之谜

紫茎泽兰

    近日，美国《国家科学院院刊》（PNAS）在线发表了由中国科学院西双版纳热带植物园等单位共同完成的科研成果《入侵植物氮向光合机构和细胞壁分配的进化权衡》。该成果对认识外来植物入侵机理及其防治有重要意义。
 
    在国家自然科学基金重点项目、中科院重大项目和云南省应用基础计划项目等的支持下，版纳植物园生物入侵生态学研究组研究员冯玉龙与美国蒙塔纳大学、墨西哥国立自治大学和印度德里大学的科学家合作，利用同质种植园试验，在版纳植物园比较研究了中国恶性外来入侵植物紫茎泽兰入侵种群（中国和印度）和原产地种群（墨西哥）叶氮向细胞壁和光合机构分配的差异，及其生理生态学后果。与已有研究相比，该成果不仅首次明确了“资源”（氮）及其分配部位（光合机构和细胞壁），探讨了氮分配进化的生理生态学后果，而且对理解专性天敌和广谱天敌的作用及入侵植物的防治具有一定意义。审稿专家认为，该研究使生物入侵机理研究达到了一个新的水平。
 
    紫茎泽兰是菊科泽兰属多年生草本植物，原产墨西哥和哥斯达黎加一带，作为观赏植物被引种到其他地区后逸为野生，并迅速成为恶性入侵种。大约在20世纪40年代，紫茎泽兰由中缅、中越边境传入我国云南省，经过半个多世纪的传播扩散，现已在云南、贵州、四川、广西、西藏、湖北等省区广泛分布。紫茎泽兰的入侵严重影响了当地生物多样性安全及农林牧业生产，是中国危害最严重的外来入侵种之一，在原国家环保总局首批公布的中国外来入侵物种名单上，紫茎泽兰列首位。
 
    提高竞争能力的进化假说认为，在入侵地进化将使外来种失去对原产地专性天敌的抗性，把原来用于维持抗性的“资源”（生物量和能量）用于生长、生殖等过程，从而提高竞争能力。然而，试图证明该假说的研究只测生物量、种子量等表型性状，未测定与资源捕获能力和利用效率相关的功能性状，不能说明导致入侵种群生长等增加的机理。冯玉龙等认为，氮的重新分配更重要，并证明外来种对入侵地特异天敌缺乏的进化响应可降低叶氮向防御系统的分配比例，提高叶氮向光合机构的分配比例，进而提高资源捕获能力和利用效率，促进入侵。
 
    冯玉龙等发现，在他们设在云南的试验地上，与来自墨西哥的原产地种群相比，来自中国和印度的入侵种群开花晚、叶片宽，表明入侵种群的物候和叶片形态发生了遗传变化。同时，入侵种群和原产地种群叶片总氮含量差异不显著，但入侵种群降低了叶氮向细胞壁的分配比例，而把更多的氮分配到光合机构。入侵种群单位面积的叶片重量显著低于原产地种群，叶片变大，叶片密度和细胞壁蛋白质含量降低，表明它对入侵地的专性天敌缺乏作出了进化响应，降低了对专性天敌的防御能力。与此同时，提高氮向光合机构的分配比例，导致其光合能力和光合氮利用效率提高，使入侵种群地茎和株高生长均比原产地种群快，促使入侵。