土壤生物对植物入侵的调控及其沿纬度变化规律和驱动机制

Soil biota, including microbes and nematodes, can directly and indirectly via herbivore influence plant range expansion and invasions, which in turn could alter soil biota community structure and function. With greenhouse experiment, the project applicant has tested soil biota’s impacts on the invasive plant Alternanthera philoxeriodes and its native congener A.sessilis and found that: soil biota might directly and indirectly facilitate A. philoxeriodes invasion and soil biota’s impacts might change as a function of latitude of soil collection, but needs further clarify. Based on this finding, this project plans to investigate: 1) how soil biota directly and indirectly affects A. philoxeriodes invasion, and to identify the dominant functional groups of and the key pathways via those soil biota affecting A. philoxeriodes invasion; 2) how soil biota’s impacts on A. philoxeriodes invasion, and multitrophic interactions of soil biota, plants and aboveground herbivores change with latitude and what is the underlying mechanism; 3) how soil biota affects range expansion of the native and invasive plants under warming climate and what is the underlying mechanism; 4) how A. philoxeriodes invasion affects soil biota community structure and function. Realization of this project will improve our understanding on the role of soil biota in plant invasions from the perspectives of biogeography and multitrophic interactions. The results will provide empirical information for predicting plants range expansion under warming climate and potential soil enemies for managing A. philoxeriodes.

土壤生物，包括微生物和线虫等，直接或间接（通过影响地上昆虫）调控植物扩散和入侵，而后者可改变土壤生物群落结构和功能。申请人前期研究了土壤生物对入侵植物喜旱莲子草和本土植物莲子草的调控，结果表明：土壤生物可能直接或间接促进喜旱莲子草入侵，不同纬度来源土壤生物的作用存在差异，但尚需严谨论证。本研究在此基础上，拟沿纬度梯度开展野外调查、同质园实验和移植实验，结合微生物高通量测序等，探讨：1）土壤生物对植物入侵的直接和间接调控，解析关键调控路径和生物类群；2）土壤生物群落结构、土壤生物-植物-地上昆虫等多级营养关系沿纬度变化规律和驱动机制；3）土壤生物对气候变化下入侵和本土植物扩散的调控和机理；4）植物入侵对土壤生物群落结构和功能的影响。项目的实现，有助于从多级营养关系、生物地理学等视角，剖析土壤生物对植物入侵的调控及其纬度格局，为预测气候变化下物种扩散提供依据，为治理喜旱莲子草提供潜在生物资源。

外来物种入侵严重威胁生态安全和粮食安全，明确物种入侵机制是科学防控入侵物种的基础。大量研究报道土壤微生物（如真菌和细菌）与其他生物（如植物和昆虫）相互作用，共同影响物种入侵。然而，现有研究往往将土壤生物和其他生物割裂进行研究，因此地上地下生物如何相互作用、共同影响植物入侵尚不清楚。依托本项目，综合长期和大尺度野外调查、控制实验，采用多组学手段，项目组以我国重大入侵植物喜旱莲子草为主要对象，系统探讨了土壤生物、植物和昆虫群落对物种入侵的响应和反馈作用及其纬度变化规律。揭示了降低入侵植物生物防治效率的一种新机制，提出了土壤微生物和植食性昆虫协同促进植物入侵一种新机制（即Enhanced soil-mediated invasion self-reinforcement hypothesis），发现了生物防治一种新型生态风险（即生防昆虫通过改变入侵植物根际微生物组成，间接加剧入侵植物对本土植物的危害）。此外，提出了一种严谨研究入侵植物-土壤微生物相互作用的新范式（即整合多点野外调查和控制实验开展研究，两者结果相互佐证），发现了植物入侵对土壤微生物的影响随纬度升高而升高，而对植物群落的影响随纬度升高而降低，解析了土壤生物通过介导植物种间间接作用促进物种共存和外来物种入侵新机制。相关成果拓展了人们对外来植物入侵机制、土壤微生物-植物-植食性昆虫相互作用的理解，丰富了入侵生物学理论，为监测有害生物防治生态效果、优化和完善生物防治方法及其生态风险评估体系提供了新的思路。目前已在Global Change Biology、New Phytologist、Annals of Botany等期刊发表论文7篇，一篇咨政报告被中办单篇采用，其中亮点文章和封面文章各1篇。参加国内外学术会议9人次，报告9人次，其中大会报告3人次。培养硕士4名、博士1名，进一步拓展了国际合作。