植物防御演化对地上和地下昆虫互作关系的影响及其内在机制

The interaction among the aboveground insect, plant and belowground insect is one of the most important relationships that impact function and stability of ecosystem. Although plant-mediated interactions between above- and belowground insects have received considerable attention, the effects of adaptive evolution in plant defense on these interactions are largely unknown. In this context, invasive plant species offer excellent model systems. Invasive plant releasing from their co-evolved above- and belowground natural enemies may have led to change defense-related traits, which in true may affect the interactions between above- and belowground insects. In this study, we will examine the effects of adaptive evolution in plant defense on the interactions between above- and belowground insects using invasive plant Chinese tallow (Triadica sebifera) as a model species. To examine the interactive effects of above- and belowground insects and these difference among native and invasive populations, we will conduct laboratory and field experiments using 2 types of insect herbivores (specialist and generalist insects, chewer and phloem feeder) and 2 pairs of genetically related of native and invasive populations (Jiangsu-Texas, Guangdong-Georgia). To examine the chemical and molecular mechanisms underlying these insect herbivores interactions, we will measure the nutritious and secondary compounds and verify expression patterns of tannins related genes in both leaves and roots from native and invasive populations. This study will provide a better understanding of how adaptive evolution in plant defense will influence above- and belowground insects interactions, and how above- and belowground plant parts will evolve in defense under different insect selection. Furthermore, this study will have important implications for management of agricultural pests and biological control of invasive plant species.

地上昆虫-植物-地下昆虫的相互作用关系是影响生态系统结构、功能和稳定性的重要关系之一。植物防御演化往往影响地上和地下昆虫的互作关系，相关研究有助于理解植物与昆虫的协同进化过程，具有重要的进化生态学意义。入侵植物的地上和地下昆虫群落从原产地到入侵地往往发生变化，导致其防御能力发生演化，进而可能改变昆虫的互作关系，是研究植物防御演化对昆虫互作关系影响的理想体系。本项目以入侵植物乌桕为对象，选取2组具有明确亲缘关系、不同防御能力的原产地和入侵地种群（江苏-德克萨斯，广东-乔治亚），结合多种类型地上和地下昆虫（专食性和广食性昆虫、咀嚼式和刺吸式昆虫），通过室内和田间实验明确植物防御演化对昆虫互作关系的影响，通过化学和分子手段揭示其内在机制。研究结果有助于阐明植物对地上和地下昆虫的生物调节作用，揭示植物地上和地下部防御演化的方向，并对农业害虫综合治理以及入侵植物生物防治具有重要意义。

地上昆虫-植物-地下昆虫的相互作用关系是影响生态系统结构、功能和稳定性的重要关系之一。在植物与昆虫的长期互作过程中，地上和地下昆虫的相互作用推动植物的适应性进化；与此同时，植物的适应性进化又影响地上和地下昆虫的互作关系。入侵植物的地上和地下昆虫群落从原产地到入侵地往往发生变化，导致其发生适应性进化，进而改变昆虫的互作关系。本项目主要以原产于中国，现在北美成功入侵的大戟科植物乌桕为研究对象，结合多种类型地上和地下昆虫，研究入侵植物的适应性进化和对昆虫的生态效应。研究发现：（1）入侵植物降低了对地上和地下昆虫的抗性，防御投入的下降导致入侵植物增加了对生长的投入，特别是对植物地上部分的投入。（2）入侵植物防御和生长的进化方向和程度不是一成不变的，在大的地理尺度上往往体现出一定的纬度梯度格局。（3）入侵植物防御和生长的适应性进化可以改变地上和地下昆虫之间的互作关系，进一步加剧了种内地上和地下昆虫的相互促进现象，以及种间地上和地下昆虫的相互抑制现象。（4）入侵植物的适应性进化不仅改变地上和地下昆虫的互作关系，同时也对邻近植物与昆虫互作关系产生影响，提高昆虫在邻近植物上的取食危害程度。相关研究成果以论文形式分别发表在Annals of Botany（2015，第一作者）、Insect Science（2016，第一作者），Biological Invasions（2019，通讯作者），Plant, Cell & Environment（2019，第一作者兼通讯作者）和Oecologia（2016，第五作者）。研究结果有助于揭示入侵植物与昆虫的协同进化和生态效应，并对入侵植物的生物防治也具有重要的指导意义。同时，项目主持人获得国际著名生态学家BMC Ecology副主编Takayuki Ohgushi 邀请，参与撰写由Springer 出版的专著《Eco-evolutionary dynamics of above- and belowground herbivores and invasive plants》（章节第一作者）。此外，在执行本项目的基础上，项目主持人获得自然科学基金-优秀青年科学基金资助（黄伟，项目批准号31822007，2019-2021），项目主要参与人主持国家重点研发计划子课题（王毅，课题编号2017YFC1200102，2017-2020）。