土壤病原菌和丛枝菌根真菌对植物入侵影响的相对重要性及其地理分异

Soil biota plays an important role in plant invasions. The invasion success of alien plants is associated with their lower soil-borne pathogen pressure (enemy release hypothesis) and stronger symbiotic relationship with arbuscular mycorrhizal fungi (AMF) than native plants (enhance mutualism hypothesis). Previous studies have confirmed the possibility of the two hypotheses by comparing the effect of soil biota on invasive and native plants. However, we still know little about the relative importance of the two mechanisms, and whether the relative importance varies across environmental gradients. We hypothesize that, with decreasing latitude, the importance of soil-borne pathogens will increase while that of AMF will decrease, in their relative importance in driving plant invasion success. To test this hypothesis, we will use the invasive alien species Solidago canadensis and native species as research materials, conduct both field survey and common garden experiments, investigate the relative importance of soil-borne pathogens and AMF in driving the invasion success of Solidago canadensis, and explore the geographical variation in their relative importance. This study is expected to deepen our understanding of the relationship between soil biota and plant invasions, disentangle the mechanisms driving the invasion success of alien plants in varied habitats, and help predict the dynamics of plant invasions in an era of global change.

土壤生物对于植物成功入侵具有重要的作用。入侵植物因逃脱土壤病原菌影响引起的“天敌逃逸”，以及因与丛枝菌根真菌（AMF）间形成更强互利关系导致的“共生增强”，被认为在一定程度上驱动了外来植物的成功入侵。已有研究通过比较土壤生物总体对入侵和土著植物净效应的差异，验证了上述两种机制存在的可能性，但未能阐明土壤病原菌和AMF在驱动植物成功入侵上的相对重要性，而探讨这种相对重要性地理格局的研究基本缺乏。本项目假设，随着纬度的降低，土壤病原菌对植物入侵的影响逐渐增加，而AMF的作用逐渐降低。为检验这一假设，申请者拟以广泛入侵我国的外来植物加拿大一枝黄花及土著植物黄花蒿为材料，结合纬度梯度上的野外取样和同质园实验，探究土壤病原菌和AMF在影响外来植物入侵上的相对重要性及其地理分异规律。本研究的预期成果将有助于在区域尺度上揭示植物成功入侵异质生境的原因，并为预测全球变化影响下植物入侵的动态提供科学依据。

本项目以在我国造成严重入侵影响的外来种加拿大一枝黄花为研究对象，应用分子生物学、种群生物学和群落生态学的原理和方法，研究土壤微生物在其入侵中的作用以及该作用在不同入侵阶段、不同地理区域和不同环境条件间的差异，揭示植物入侵地理格局形成的原因。主要结论如下：..1）相比于丛枝菌根真菌，土壤病原菌对外来植物入侵的贡献更高，且这种效应在植物的定殖阶段较为明显、在植物建群阶段不显著。土壤病原菌对植物入侵的促进作用随纬度的降低而增强。因此，土壤微生物主要通过降低入侵植物相对于土著植物在定殖阶段的天敌压力，即提高入侵植物在拓殖新生境能力上的优势，来驱动外来植物的成功入侵，且土壤微生物对植物入侵的促进效应主要表现在低纬度地区。..2）虽然丛枝菌根真菌对总生物量的影响在入侵和土著植物间没有显著差异，但生物量分配模式响应的不同表明土著植物对菌根的依赖性更强。因此，共生作用破坏对土著植物会产生更强的影响，这种差异可能是入侵植物在干扰生境下表现出相对竞争优势的原因。..3）当考虑入侵和土著植物间的直接相互作用时，入侵植物的生长表现与土著植物丰富度并无显著相关关系；但当考虑植物-土壤反馈作用时，入侵种的生长表现在那些被多种土著植物训练过的土壤中更差，即多样性更高的群落中可入侵性更低。因此，植物-土壤反馈作用是生物多样性影响群落可入侵性的重要机制之一，其贡献强于入侵植物和土著植物之间的直接相互作用。..本项目的研究揭示了土壤微生物影响植物入侵过程的阶段和区域依赖性，从植物-土壤微生物关系的角度剖析了干扰促进植物入侵的机制和生物多样性-可入侵性关系的成因，深化了学界对于土壤微生物和植物入侵间关系的认识，并可为入侵种的管理提供科学支撑。..本项目共发表SCI论文2篇。