氮营养策略与植物入侵：土壤氮形态和微生物的重要性

It is well-known that nutritional strategies of plants allow them to cope with changing environments effectively, and those of exotic plants contribute to their successful invasion greatly. Nitrogen (N) nutrition of plants is one of the most fundamental processes in their life cycles; however, little is still known about how N nutritional strategies of exotic plants contribute to their invasiveness. The purposes of this project were to uncover N nutritional strategies of invasive plants alone, and the effects of soil N forms and soil microbes on the N nutritional strategies of invaders. To do so, the congeneric approach (five invasive species and five native congeners) was used, and different soil N sources (five NO3-:NH4+ ratios and five amino acids) and different soil microbes (i.e. inoculation with bacteria, inoculation with fungi, and inoculation with bacteria and fungi at the same time) were set up. This project focused on the following aspects: (1) N resource spectra and N transporters of invasive species and their congeners; (2) N allocation, N use efficiency, and mechanical and chemical defenses of invasive species and their congeners; (3) the effects of different soil N forms and microbes on the N uptake and N utilization (i.e. two endpoints of plant N nutrition) of invasive species and their congeners. The applicant considered the joint effects of inherent traits of invaders, N forms, and microbes on the invasiveness of exotic plants, and aimed at providing novel nutritional explanations for invasive success, thereby enriching existing invasive hypotheses.

植物营养策略是植物适应环境变化的有效方式，对外来植物成功入侵具有不可低估的作用。氮营养是入侵植物最基本的生命过程，但对“氮营养策略如何影响外来植物入侵性”的了解依然不足。本项目采用同属近缘种比较（5种入侵植物和5种同属本地植物），设置不同土壤氮源（5种硝铵比和5种氨基酸）和土壤微生物（接种细菌、接种真菌、同时接种细菌和真菌）处理，探讨入侵植物本身的氮营养策略，以及土壤氮形态和微生物对入侵植物氮营养策略的影响，重点研究：（1）入侵植物和本地植物的氮素谱和氮转运蛋白，（2）入侵植物和本地植物的氮分配、氮利用效率、机械和化学防御特性，（3）土壤氮形态和微生物对入侵植物和本地植物氮吸收和氮利用（氮营养过程的两个端点）的影响。本项目综合研究入侵植物内在特性、氮形态和微生物对入侵性的影响，旨在阐明外来植物成功入侵的营养学机制，丰富现有的入侵机制假说。

研究背景 氮既是植物生长、繁殖和维持所必需的基本营养元素，也通常是自然生境中一种重要的限制性元素。一方面，土壤氮可利用性是外来植物成功入侵的重要驱动因素；另一方面，入侵植物氮营养策略是其成功侵入新生境的有效方式。以前的研究表明：无机氮和有机氮都是植物重要的氮素来源，氮形态和土壤微生物对入侵植物氮营养具有重要调节作用。.研究方法 选择6种外来入侵植物（简称入侵植物）和6种本地非入侵同属植物（简称本地植物）为对象，围绕3个科学问题设置相应实验，测定植物生长、养分含量、可塑性、忍耐性等指标。此外，调查了我国南方入侵植物危害严重区域不同形态土壤氮组成及含量。.研究内容 （1）土壤氮形态与植物可利用氮源；（2）入侵植物与本地植物的氮利用对策；（3）氮形态和土壤微生物对入侵植物和本地植物氮营养的影响。.重要结果 （1）入侵植物与本地植物均可利用土壤中的硝态氮和铵态氮，硝铵比深刻影响植物氮利用。（2）入侵植物与本地植物均可利用18种蛋白质基本氨基酸，均不利用组氨酸和异亮氨酸。（3）在任何硝铵比条件下，入侵植物的氮利用效率均高于本地植物，入侵植物的忍耐养分贫瘠能力均强于本地植物。（4）虽然入侵植物与本地植物的氨基酸氮源相同，但入侵植物的氮利用效能和效率均高于本地植物。（5）土壤微生物通过不成比例地降低植物生长而使入侵植物获得更加明显的生长优势，尤其是在完全土壤微生物存在时。.科学意义 上述结果从植物氮营养视角部分解释了为什么外来植物能够成功入侵那些包含同属近缘本地物种的植物群落，为理解外来植物成功入侵提供了实验证据，在一定程度上丰富了现有的入侵机制。