薇甘菊扩张过程中表型可塑性的进化及与入侵力的长期关系研究

Phenotypic plasticity is one of the important mechanisms underlying biological invasions. By far studies mainly focus on the geographic differences of phenotypic plasticity, but little attention has paid to the evolutionary pattern of plasticity along the invasion history. Trait evolution during range expansion has been a study hotspot recently in invasion ecology because it tells more about how invaders evolve in the invaded ranges and further the invasion mechanisms. As a major functional trait, phenotypic plasticity has different roles on invasiveness during range expansion. Therefore, it would likely evolve during invasion, and exert significant influences on the maintenance of long-term competition advantage of invasive species. Through conducting common garden experiment with the highly invasive Mikania micrantha as study species, this project aims to study the long-term relationship between phenotypic plasticity and invasiveness, by testing differences in plasticity and interspecific competitive ability among populations of different ages under varying competition intensity and resource availability. These results would show a complete picture on how M. micrantha responds to competition environment changes and how invasiveness evolves during range expansion. Ultimately these results will enhance our understanding on the contribution of phenotypic plasticity to invasion success in the long-term, predict future invasion dynamics and provide a solid foundation for exotic weed management.

表型可塑性是促进外来入侵的重要机制之一。以往研究集中于可塑性的空间地域差异，但对其随着入侵时间的进化趋势，即不同建群时间种群的可塑性差异却尚无报道。入侵性状随着时间的进化格局是当前入侵生态研究的重点方向，表型可塑性作为重要的功能性状，在不同入侵阶段的作用是不一致的，并且很可能对扩张过程中的环境变化作出适应性响应，从而帮助入侵种在长期内维持竞争优势。本项目拟采用同质园实验，以扩张过程中最常见的竞争环境及养分环境改变为条件设置，探讨不同入侵时间的薇甘菊种群在这些环境下生长、形态和生理及可塑性的差异，以及不同种群的种间竞争力差异。预期结果将揭示入侵过程中不同建群时期的薇甘菊种群生长及竞争相关性状的进化趋势，及表型可塑性与入侵力之间的长期关系。本研究将深化对表型可塑性能否作为长期有效的入侵手段的认识，有助于预测未来入侵动态，并为有效防控外来杂草提供坚实的科学依据。

外来入侵具有阶段性。在扩张过程中入侵植物需面对一系列选择压力的变化，并促使入侵种通过进化来适应。越来越多的证据显示，处于扩张不同时间和地理区域的种群具有明显不同的性状组合及表现。表型可塑性作为重要的功能性状，在不同入侵阶段的作用并不一致，并可能对扩张过程中的环境变化作出适应性响应，从而帮助入侵种维持长期的竞争优势。但是，目前对入侵种竞争能力和表型可塑性的长期进化关系的认识仍较少。本项目以入侵种薇甘菊为研究对象，开展了以下研究内容：不同入侵时期薇甘菊种群对养分条件和竞争环境变化的响应差异；土壤微生物对薇甘菊竞争力的影响；薇甘菊可塑性和竞争能力的长期关系。结果表明：（1）氮添加显著提高了各个种群植株的生长和光合表现；随着种群密度的降低，薇甘菊趋向于从优先改变资源利用相关性状向优先改变能量捕获相关性状的方向转变，在高氮条件下薇甘菊趋向于采取快能量返回策略，在低氮条件下则趋向于采取慢能量返回策略。（2）随着入侵进程，薇甘菊进化出更强的适应竞争环境的竞争能力；土壤微生物总体上对薇甘菊竞争表现产生了中性甚至正效应作用，且其作用与竞争处理设置和种群竞争背景相关；薇甘菊根部菌根真菌侵染率与其竞争表现无直接相关关系。（3）养分添加促进了薇甘菊的克隆分工。通过本项目发现，薇甘菊在扩张过程中适应性逐渐增加，表型可塑性趋势则因性状不同而不同。这种趋势表现在薇甘菊生理、生长及与土壤微生物的关系上，并最终促进竞争能力的提高。这反映出，薇甘菊在扩张过程中对环境变化产生适应性进化，可能促进其扩张，需要加强防控防治；同时，可利用薇甘菊本地适应性提高的特点以及筛选对薇甘菊具有高耐受力的本地种，研发基于入侵阶段的防控策略。