植物介导的地上地下生物互作网络的构建与演化

Plant above- and belowground compartments link aboveground herbivorous insects and belowground biota such as mycorrhizal fungi, forming complex interaction network. Plant nutrients and defense chemicals may play critical roles in regulating above- and belowground interactions, since they could be synthesized, transported and/or allocated in and between leaves, stems and roots. Therefore, unveiling mechanisms behind plant-mediated above- and belowground interaction network may assist for better understanding of how plants, animals and soil microbes interact and how the interactions evolve. In this study, we investigate how plants mediate the above- and belowground biotic interaction network, by using Chinese tallow (Triadica sebifera) and its associated herbivorous insects and mycorrhizal fungi as a model system. To examine the interactions of aboveground herbivorous insects and belowground biota, we will conduct common garden experiments. We will also conduct field surveys to investigate how plant populations affect the interactive effects within the network which may infer the evolutionary trends. To unveil the chemical mechanisms behind plant-mediated above- and belowground interactions, we will measure nutrients and induced secondary chemicals using metabolomics approaches. The results of this study, together with our previous findings, will assist to better understand how plants mediate ecological and evolutionary interactions of aboveground and belowground organisms that affect plants, animals and soil microbes. The project outcomes may also provide new insights into management of above-and belowground pests in agriculture.

植物的地上部分和地下部分同时连接地上生物如植食性昆虫和地下生物如菌根真菌等，构成了复杂的互作网络。植物化学营养和防御物质在根茎叶中的合成、运输及其分配在调控地上地下生物互作中可能发挥着关键作用。解析植物介导的地上地下生物互作网络的构建机制，可以较全面系统地揭示群落内植物-动物-土壤微生物互作及演化规律。本项目在已有工作基础上，以在我国广泛分布的多年生植物乌桕及其地上植食性昆虫和地下昆虫及菌根真菌为研究体系，通过一系列控制实验，阐明地上昆虫与地下生物之间的互作关系；通过大量野外调查，研究不同乌桕种群调控的地上地下生物互作关系网络的变化；并采用代谢组学等分析技术，揭示植物系统诱导防御反应产生的次生代谢物质对地上地下生物互作关系的影响机制。项目研究成果将有助于阐明植物介导的地上地下生物协同演化机制、揭示生物群落内植物-动物-土壤微生物互作规律，并对农业有害生物的治理具有重要的指导意义。

研究昆虫诱导的植物地上地下次生代谢响应对于揭示群落内植物-昆虫-土壤根际微生物互作及演化规律具有重要意义。项目以多年生植物乌桕（Triadica sebifera）及其地上植食性昆虫和地下昆虫及菌根真菌为主要研究对象，探索不同乌桕种群调控的地上地下生物互作关系网络的变化，阐明地上昆虫与地下生物之间的互作关系，揭示植物系统诱导防御反应产生的次生代谢物质对地上地下生物互作关系的影响机制。项目通过大量的田间调查和控制实验以及室内化学分析，从乌桕个体、种群及群落水平上明确了多种不同取食方式的地上昆虫（叶甲，卷象，夜蛾，蚜虫等）与地下昆虫的互作关系；从植物次生代谢（主要是单宁和类黄酮等）响应角度，阐明了植物在调控地上昆虫和地下菌根真菌互作中的作用；研究了不同环境中植物的次生代谢的差异及其对生物和非生物因素的响应；发现了不同昆虫取食强度对根际微生物群落动态的影响；通过对乌桕的国内外不同种群调控的地上地下生物互作分析比较，阐明了根系分泌物次生代谢物质类黄酮在调控不同种群植物菌根真菌中的关键作用，揭示了不同植物种群调控下的地上昆虫和地下生物互作关系的演化规律。上述研究结果在种群生态学，群落生态学，进化生态学和入侵生态学等领域都具有重要理论意义，对于指导农业害虫管理也有一定的价值。