自人类世以来，外来入侵物种迅速增加，对全球生物多样性、经济发展和人类福祉造成严重威胁。外来物种入侵是全球生物多样性丧失和生态系统功能退化的重要原因之一。随着全球化进程的加速，人类活动导致的有意或无意的物种迁移日益频繁，使得许多非本土植物得以在新的地理区域内建立种群并迅速扩张，成为入侵植物。这些外来入侵植物在新环境中往往缺乏自然控制机制，其生长、繁殖能力及竞争力可能超过本地物种，从而改变生态系统的结构与功能。1958年，Charles Elton提出生物阻抗假说，认为生物多样性越高的群落越不容易被外来物种入侵。尽管大量实验证明生物多样性有助于植物群落抵御入侵，但这种生物多样性-抗入侵性关系是否在多重环境变化下得以维持尚不清楚。此外，当前研究的主流倾向于将生物多样性对入侵物种的抵御机制归结于土著物种与外来物种间的直接资源竞争，而对于土壤微生物介导的作为间接影响途径的土壤反馈效应则相对较少受到关注。
近期，《Nature Communications》和《Ecology Letters》期刊发表了兰州大学生态学院、草种创新与草地农业生态系统全国重点实验室的研究成果，揭示生物多样性对抵御外来植物入侵的重要作用。兰州大学生态学院吴纪华教授为通讯作者。
在2024年5月27日以“Biodiversity increases resistance of grasslands against plant invasions under multiple environmental changes”为题发表于《Nature Communications》的研究中，通过对同时控制植物物种多样性、环境变化和植物入侵的草地实验数据进行分析，发现生物多样性在多种环境条件下均能增强草地群落对植物入侵的抵抗力(图1)。然而，生物多样性对抗入侵性的正效应在增温环境下得以增强，而在干旱环境下有所减弱。当多重环境变化因子同时作用时，生物多样性对抗入侵性的正效应得以增强。研究结果还表明，生物多样性对抗入侵性的影响随着生物多样性对土著植物生产力的影响强度和土著植物物种多样性的增加而增强，而受实验持续时间和实验单元大小的影响较弱。
图1 不同类型和数量环境因子变化下生物多样性对抗入侵性的影响
在2024年3月1日以“Genotype diversity enhances invasion resistance of native plants via soil biotic feedbacks”为题发表在《Ecology Letters》上的研究中，开展一项两阶段植物-土壤反馈实验（图2）。在土壤训练阶段，构建1、2、4和8基因型多样性的土著植物海三棱藨草种群来训练土壤；在反馈阶段，将外来入侵植物互花米草种植于这些经过基因型多样土著植物训练的土壤中，对比其生长表现。为了区分土壤生物与非生物因素的作用，实验还设置了灭菌处理。研究结果发现，随着土著植物基因型多样性的增加，外来植物的生长受到了显著的抑制；但当土壤灭菌消除土壤生物反馈时，这种格局被逆转（图3）。多元回归分析揭示土著植物基因型多样性在抵御外来入侵植物过程中，主要通过提升土壤微生物总量和真菌多样性起作用。相较于土壤的非生物反馈，土壤生物反馈在构建基因型多样性-入侵抵抗力正相关关系中具有更大的贡献。
图2 实验设计示意图
图3 外来入侵植物在不同处理土壤中的生物量
鉴于生物多样性的不断丧失、全球环境变化的加剧和外来物种入侵的日益增加，以上研究强调保护和恢复土著植物多样性的必要性。生物多样性不仅在当前环境下对抵御植物入侵非常重要，而且在全球环境持续变化的情况下其作用还可能得到加强。此外研究还特别强调了植物-土壤反馈对入侵抵抗力的作用，并提出了在抵御植物入侵过程中，采取管理措施以维持和提升土著植物种群遗传多样性的必要性。
以上研究的合作者还包括来自复旦大学、云南大学、德国康斯坦茨大学等单位的研究人员。研究得到国家重点研发计划“生物安全关键技术研究”重点专项“生物多样性抵御生物入侵的响应机制与受损系统的生态恢复”(2022YFC2601100)、国家自然科学基金重点项目(32030067)、兰州大学人才队伍建设经费等资助。
原文链接：
Biodiversity increases resistance of grasslands against plant invasions under multiple environmental changes,《Nature Communications》, (https://www.nature.com/articles/s41467-024-48876-z)
Genotype diversity enhances invasion resistance of native plants via soil biotic feedbacks,《Ecology Letters》, (https://doi.org/10.1111/ele.14384)
内容来源 | 兰州大学生态学院
编辑 | 温彩霞
责编 | 彭倩