入侵植物地上地下生物调控网络及其对气候变暖的响应

Above- and/or below-ground biota can affect competition between invasive and native plant directly and indirectly, and the two guilds of biota can interact through host plants’responses, so above- and below-ground biota and native plants may form a biotic network regulating exotic plant invasion and its responses to climate warming. Previously, we have found that above- and below-ground biota both affect performance of the invasive plant Alternanthera philoxeroides, the two guilds of biota affect each other mediated through responses of the co-occurring native host plant A. sessilis, thus the above- and below-ground biota and the native plant may form a biotic network regulating A. philoxeroides invasion . Based on this finding, this proposal plans to carry out common garden experiments and field warming experiments along a latitudinal gradient, a high latitudinal trans-location experiment, and molecular and chemical analysis: 1) to identify biotic regulatory network of plant invasion and its change pattern along a latitudinal gradient; 2）to test the effects of biotic regulatory network on invasive plant range expansion to high latitudes; 3) to study responses of biotic regulatory network to climate warming, and explore its underlying mechanisms. Realization of this proposal will improve our understanding of exotic plant invasion and responses to climate warming from the perspective of biotic regulatory network, and provide valuable information for improving our ability to predict and manage exotic plant invasions under warming climate.

地上/地下生物直接或间接调控入侵植物-本土植物竞争关系，而且两者可通过寄主植物相互作用，因而地上地下生物和本土植物通过交互作用形成生物调控网络，共同影响植物入侵及其对气候变暖的响应。申请人前期工作发现，地上地下生物均能调控空心莲子草入侵，且两类生物通过与空心莲子草共发生本土植物莲子草互作，因而两类生物与本土植物莲子草可能形成调控网络影响空心莲子草入侵。本项目拟在现有研究基础上，沿纬度梯度开展同质园和模拟增温实验，结合高纬度地区移植实验、室内分子和化学分析，首先阐明入侵植物地上地下生物调控网络并明确其沿纬度梯度变化规律；然后，探究地上地下生物调控网络对入侵植物向高纬度地区扩散的调控；最后，明确地上地下生物调控网络对气候变暖的响应，并揭示其生态学机制。研究结果将从生物调控网络角度揭示外来植物入侵机制及其对气候变暖的响应，为气候变化下预测和治理外来入侵生物、保护本地生物多样性提供理论和实践指导。

地上地下生物群落及两者互作对植物入侵具重要调控作用，但其生态学原理，尤其是为何入侵和本土植物常形成不同根际微生物组、土壤生物-植物-昆虫多级营养关系等，尚不清楚。地上地下生物对植物入侵的调控作用将如何响应温度变化等亦缺乏了解。有鉴于此，在前期研究基础上，本项目以入侵植物喜旱莲子草为对象，本土植物莲子草为参照，开展了纬度梯度野外调查和同质园实验、土壤反馈实验和室内生物测定，结合微生物组和代谢组分析，围绕上述问题开展了系统研究，发现：1）入侵与本土植物根际微生物组差异显著，一些致病微生物在入侵植物根际发生量显著高于在本土植物根际发生量；2）入侵与本土植物代谢组差异显著，代谢组相似性较高的入侵或本土植物个体间根际真菌群落相似性亦较高；3）土壤生物显著抑制敏感的本植物生长、提高取食本土植物食叶昆虫幼虫适合度，但对入侵植物无显著影响；4）食叶昆虫取食改变植物代谢组、根际微生物组、土壤对植物和昆虫的反馈作用；5）随纬度升高，喜旱莲子草入侵群落中其他植物、土壤真菌和地表昆虫群落呈不同的纬度变化趋势，本土植物对土壤和地表生物群落的调控作用显著高于共发生外来植物；6）随纬度升高，植物根际土壤中致病真菌和根结线虫发生量、对本土植物和取食其叶片的昆虫适合度的抑制作用等逐渐降低，而对入侵植物的作用不随采样纬度变化而改变；7）食叶昆虫仅在低纬度地域抑制本土植物，间接促进外来植物入侵；8）与入侵植物混种时，本土植物高纬度种群植株相对竞争力显著高于低纬度种群植株。表明：代谢组差异是入侵与本土植物形成不同根际微生物组、土壤-植物-昆虫互作的一个重要机理；随纬度升高，地上地下生物群落及对植物入侵的调控作用均发生改变，因此不同纬度调控植物入侵的关键生态因子可能存在差异，但尚需进一步论证。目前已在ISME Journal、New Phytologist、Annals of Botany、Plant Ecology等杂志发表SCI论文4篇，并有多篇文稿准备投稿中。参加国内外学术会议6人次，作大会报告3人次。