亚热带富磷地区壳斗科植物及其寄生昆虫栗实象甲生态化学计量学研究

In subtropical areas, there are generally soil P-poor ecosystems due to strong leaching under high temperature and precipitation. However, lots of P-rich ores distribute in Hubei, Hunan, Yunnan, Guizhou and Sichuan provinces etc. in China, forming typical soil P-rich ecosystems. This provides an ideal situation for studying ecological significance of P-rich soils. In this project, Fagaceae trees in the P-rich ores and adjacent P-poor areas, in Central Yunnan Plateau, are selected as study objects for investigating ecological stoichiometry and metabolomics of plants. Our main objectives are, 1) to show leaf stoichiometric traits for these trees, revealing the strategy of plant adaptation for varying soil nutrients; 2) to show the relationships between leaf stoichiometric traits and metabolome for these trees, further revealing the response of plant to soil nutrient variation; and 3) to study seed stoichiometric traits of different Fagaceae trees and the relation to soil nutrients. These results have great implications to understanding the ecosystem properties in subtropical areas in the context of global change.

由于长期的风化和淋溶作用，我国亚热带地区一般会形成基于贫磷（P）土壤的植物化学计量学特点。然而，在鄂湘滇黔川等地却分布有大面积富P矿区，形成了基于富P土壤的生态系统，这为研究亚热带富P生态效应提供了“天然实验室”。本项目以云南滇中高原富P矿区和贫P地区壳斗科植物及其种子为研究对象，开展植物叶片代谢组学以及叶片和种子生态化学计量学性状及其形成机理的研究。主要研究目的有三个方面：第一，揭示植物叶片（营养器官）化学计量学性状对土壤营养元素变异的适应策略；第二，研究植物代谢组学和化学计量的关系，进一步揭示植物对土壤营养元素变异的响应机制；第三，揭示不同植物种子（繁殖器官）化学计量学性状特点及其与叶片化学计量学性状之间的关系。研究结果对加深理解我国亚热带森林生态系统性质及其对全球变化响应特点具有重要意义。

为深入了解基于地质富磷（P）效应在土壤和不同营养级（例如：植物和动物）间传递特征以及生物对富P和贫P环境的适应策略，在本项研究中，以滇中高原基于地质富P土壤地区和周边典型贫P土壤地区为研究区域，选取天然栓皮栎林分以及栗实象甲为研究对象，我们开展了富P和贫P立地条件下栗实象甲和栎树种子元素化学计量特点、栓皮栎叶片养分回流化学计量特征、栓皮栎叶片以及栗实象甲代谢组和离子组特征等研究。判别函数分析显示，栎树种子以及栗实象甲的元素组成在富P和贫P立地间都表现出显著差异，并且种子和象甲P含量都分别对此差异贡献最大；同时，栎树种子P和象甲P都呈现为非严格内稳态；这可能是栎树种子及栗实象甲元素化学计量特征受到基于地质P变异以及内稳态调控的强烈影响的结果。富P立地栓皮栎具有低P回流，贫P立地栓皮栎具有高P回流，并且P回流率差异对贫富P立地间栓皮栎养分回流变异格局起主导影响，因此，栓皮栎很可能形成了节省能量消耗满足自身养分需求的策略。此外，P回流仅随土壤P含量升高而显著降低，N:P和C:P回流比率都与土壤P含量呈正相关，表现出P回流可能的最终限制元素控制模式。富P和贫P立地间两个栓皮栎种群的代谢组和离子组都呈现显著差异，且正磷酸盐对代谢组差异贡献最大；同时，叶片正磷酸盐与总P含量呈显著正相关，但是，叶片总P和土壤P含量仅在富P立地显著相关；因此，栓皮栎可能形成了适应贫P和富P立地的特异的代谢物和元素组成以及相关关系。一些糖类和氨基酸等被鉴定为贫P和富P立地象甲种群间的差异标志物，并且两种立地间象甲主要涉及精氨酸和脯氨酸代谢、谷胱甘肽代谢，而参与这两个代谢通路过程的象甲4种氨基酸含量与其寄主种子P含量和C:P比值仅在贫P立地显著相关；因此，栗实象甲可能通过在一定程度上改变自身营养状况来适应养分变异环境。我们结果可为研究亚热带基于地质贫P和富P条件下植物和植食性昆虫的适应策略提供一定理论依据。