专食性昆虫介导的入侵植物抗逆性演化及机制

The study on the evolution of plant defenses in introduced environments is important for exploring the invasion mechanism. At present, there is a large body of research devoted to the crucial role of specialist herbivores in the evolution of plant anti-herbivore defenses. However, few studies explored the influence of specialist herbivores on the evolution of plant defenses against abiotic environmental stresses. In general, the lower specialist herbivore pressure in introduced range is accepted as driving forces for the evolution of anti-herbivore in invasive plants. The changes in anti-herbivore trait may alter the allocation of limited resources to other plant traits, which may result in the variation in plant physiology and biochemistry and consequently affect plant defenses against abiotic stresses. To test the above hypothesis, we will explore the role of specialist herbivores in the evolution of plant defenses against abiotic stresses by separately comparing the response of common ragweed, Ambrosia artemisiifolia, among populations in native range and from introduced ranges that has either been exposed to or grown free from specialist leaf beetle Ophraella communa under biotic and abiotic stress such as drought and low nutrient. We will also measure the antioxidant enzymes activity and secondary metabolites to unveil the chemical mechanisms of defense evolution. The project outcomes contribute to understanding whether and how specialist herbivores affect the evolution of plant defenses against abiotic environmental stresses, and the complicated evolutionary interaction between different plant traits.

入侵植物对于环境胁迫的防御及演化是探究植物入侵机制的重要内容。专食性昆虫作为重要的选择压力，对于入侵植物抗虫性功能演化的作用已有较多研究，然而鲜有探究专食性昆虫对于植物抗逆性功能演化的影响。通常，专食性昆虫在入侵地的缺失被认为是植物抗虫性功能演化的主要驱动力，而抗虫性功能的变化势必会改变植物体内不同功能间的资源投入，导致植物生理和生化变化，从而影响植物抗逆性。为验证此假设，本项目以取食入侵植物豚草的专食性昆虫广聚萤叶甲以及具有不同取食历史的豚草种群为研究材料，通过比较不同种群的豚草对广聚萤叶甲的抗虫性差异以及对非生物环境胁迫如干旱、高温等的抗逆性差异，探究专食性昆虫在植物抗虫性功能和抗逆性功能互作演化中的作用；并通过比较不同种群的豚草中抗氧化酶活性及次生代谢物质等来确定抗逆性功能演化的机制。研究结果有助于阐明专食性昆虫在植物抗逆性功能演化中的作用，并揭示植物体内不同功能间复杂的演化关系。

入侵植物对于环境胁迫的防御及演化是探究植物入侵机制的重要内容。专食性昆虫作为重要的选择压力，其在入侵地的缺失被认为是入侵植物抗虫性功能演化的主要驱动力。目前，随着全球化实施生物防治及昆虫的自然扩散，很多入侵植物与专食性昆虫在新生境又“重新相遇并发生互作（reassociation）”。然而，鲜有探究这种昆虫取食压力的变化对于抗逆性功能演化影响及背后的代谢机制。本项目以入侵植物豚草（Ambrosia artemisiifolia）及其共同进化的专食性昆虫广聚萤叶甲（Ophraella communa）为研究对象，通过野外调查、同质园实验和室内化学检测，探究具有不同取食历史的豚草种群（重新互作时间为0年、9年、13年、17年）对广聚萤叶甲的抗性差异以及对非生物环境胁迫如干旱、低营养等的抗逆性差异，并进一步从代谢角度探究其抗虫性功能和抗逆性功能差异的原因。结果显示，随着豚草种群“重新互作”历史的增加，广聚萤叶甲取食后发育更慢、体重更轻，消化酶活性明显降低。通过对比“重新互作”历史的豚草种群在干旱/营养胁迫下和正常对照下生物量变化和生理指标（如丙二醛）的变异情况，发现随着“重新互作”历史的增加，豚草种群在逆境胁迫下生物量变化更小而MDA变化更大。最后，野外和同质园内的豚草叶片化学物质检测发现，单宁、木质素等防御物质含量随着“重新互作”历史的增加均呈现出显著上升趋势，而绿原酸、类黄酮等物质含量随着“重新互作”历史的增加均呈现出显著下降趋势。综上，随着入侵地豚草和广聚萤叶甲重新相遇互作，豚草种群的抗虫性功能逐渐升高而抗逆性功能逐渐降低，这主要是由于豚草叶片内的抗虫性物质如单宁含量增加，而抗逆性物质如绿原酸含量降低有关。研究结果有助于阐明专食性昆虫在植物抗逆性功能演化中的作用，并揭示植物体内不同功能间复杂的演化关系。