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外來植物與植食性昆蟲的互作關(guān)系演化，是外來植物成功入侵的重要原因。外來植物進入新生境后，由于逃離了原產(chǎn)地專食性昆蟲的取食（天敵逃逸假說），進而增強了對入侵地廣食性昆蟲的防御（防御轉(zhuǎn)移假說）。植物抵御昆蟲的化學(xué)防御是有成本的，“昂貴”的組成型防御和“廉價”的誘導(dǎo)型防御存在權(quán)衡，并受昆蟲取食壓力的影響。然而，昆蟲取食壓力如何驅(qū)動入侵植物對廣食性昆蟲防御策略的演化及其生態(tài)效應(yīng)仍不明確。
2023年6月30日，河南大學(xué)丁建清團隊和中國科學(xué)院武漢植物園黃偉團隊合作在國際生態(tài)學(xué)期刊Ecology Letters在線發(fā)表題為“Trade- offs in non- native plant herbivore defences enhance performance”的研究論文，揭示了昆蟲取食壓力重塑入侵植物對廣食性昆蟲的防御策略，將更多的防御資源用于生長，進而促進外來植物入侵。
研究團隊通過大范圍的野外調(diào)查、12對入侵植物及其近緣本土種的同質(zhì)園實驗、昆蟲生測實驗、代謝分析和控制實驗，探究了入侵植物對廣食性昆蟲的防御策略演化及其生態(tài)效應(yīng)。野外調(diào)查和同質(zhì)園實驗表明，入侵植物的昆蟲取食率低于本土植物，且不同入侵植物之間和不同本土植物之間的昆蟲取食率存在差異。昆蟲生測實驗顯示，入侵植物的組成防御低于本土植物，而入侵植物的誘導(dǎo)防御高于本土植物；入侵植物的組成防御與昆蟲取食壓力呈正相關(guān)，誘導(dǎo)防御與昆蟲取食壓力呈負相關(guān)；本土植物的組成防御和誘導(dǎo)防御與昆蟲取食壓力沒有相關(guān)性。代謝分析發(fā)現(xiàn)，總酚類次生代謝物質(zhì)在調(diào)節(jié)入侵植物的組成防御和誘導(dǎo)防御過程中發(fā)揮重要作用。控制實驗進一步證明，昆蟲取食壓力降低后，入侵植物通過改變對廣食性昆蟲的防御策略，將更多的防御資源用于生長。以上研究結(jié)果揭示了植物增強競爭能力的新的進化機制，并對豐富入侵植物與植食性昆蟲互作關(guān)系的演化理論具有重要意義。
河南大學(xué)丁建清團隊的孫曉副教授為論文第一作者，中國科學(xué)院武漢植物園黃偉研究員為論文通訊作者，河南大學(xué)丁建清、孫玉梅、曹雪瑤、翟新叢，中國科學(xué)院武漢植物園萬金龍，以及美國蒙大拿大學(xué)Ray Callaway和美國佛羅里達大學(xué)S. Luke Flory為共同作者。研究得到國家自然科學(xué)基金等項目資助。
圖1. 以四大名著之一《西游記》的故事脈絡(luò)，整合天敵逃逸假說、防御轉(zhuǎn)移假說和競爭力增強進化假說。入侵植物傳入新生境后，逃離原產(chǎn)地專食性昆蟲取食（天敵逃逸假說，ERH），進化出對廣食性昆蟲更強的防御能力（防御轉(zhuǎn)移假說，SDH）。昆蟲取食壓力重塑入侵植物對廣食性昆蟲的防御策略，降低“昂貴”的組成防御，提高“廉價”的誘導(dǎo)防御，進而將更多防御資源用于生長，進而提高其競爭力（競爭力增強進化假說，EICA）。