東北地理所與康斯坦茨大學合作揭示土壤微生物在入侵災難中的重要性
外來入侵生物造成的生態破壞與經濟損失使得我們急需探究外來種成功入侵的原因。長久以來，高競爭能力一直被認為是外來種成功入侵的關鍵。但是過去的研究大多關注兩物種競爭（一個本地種與一個外來種的競爭），很少探究多物種的競爭。此外，競爭有不同的類型，被廣泛研究的是對資源的競爭，但是競爭也可以通過其它營養級產生。因此，中國科學院東北地理與農業生態研究所生物入侵生態學研究團隊與德國康斯坦茨大學生態學研究團隊通過實驗旨在研究第三個物種是否會通過改變土壤微生物來改變外來種和本地種的競爭結果。
研究人員利用植物-土壤反饋的研究手段（圖1），在第一階段，選擇了4種外來植物和6種本地植物分別對土壤進行了馴化（即隨著植物的生長，它會改變土壤微生物的構成），并設置了一個沒有植物的對照。植物生長15周后，研究人員收獲了土壤，并采樣進行擴增子測序得到土壤細菌和真菌的群落結構。在第二階段，研究人員將新一批植物（5種外來植物和5種本地植物）種在了收獲的土壤，共設置了5個競爭處理：外來/本地種的單種，外來/本地種的單物種種群，以及外來本地種的混種群落。
研究發現：當沒有第三個物種（即土壤沒有被馴化），或者第三個物種是本地植物的情況下，后來的外來植物和本地植物的平均生物量無顯著差異，表明其競爭能力沒有顯著差異（圖2)。然而當第三個物種是外來植物時，后來的外來植物競爭能力高于本地植物。這一發現支持了“入侵災難”假說（invasional meltdown hypothesis)，即外來種會互相促進彼此的入侵，從而取代本地種。該研究進一步發現，不同植物對土壤微生物群落的影響不同。更重要的是，外來種兩兩之間的土壤微生物群落相似度很低（圖3a），并且土壤微生物群落相似度低的物種之間的負作用小（圖3b）。這揭示了本研究中發現的“入侵災難”是由土壤微生物驅動的。
該研究由德國康斯坦茨大學張致杰博士（第一作者）、中科院東北地理與農業生態研究所劉艷杰研究員（通訊作者）等共同完成，研究成果于近期發表在國際生態學Top期刊Nature Ecology & Evolution上。本研究是張致杰博士與劉艷杰研究員在土壤微生物介導的外來植物入侵方向合作的第二篇文章，兩人合作闡明的“土壤微生物介導的外來植物和本地植物之間的競爭是‘多樣性-入侵性’之間負相關關系的潛在機制”也于不久前在線發表在生態學經典期刊Ecology上。
相關論文信息：
Zhang Z, Liu Y*, Brunel C, van Kleunen M (2020) Soil-microorganism-mediated invasional meltdown in plants. Nature Ecology & Evolution, https://doi.org/10.1038/s41559-020-01311-0.
Zhang Z, Liu Y*, Brunel C, van Kleunen M (2020) Evidence for Elton’s diversity-invasibility hypothesis from belowground. Ecology. https://doi.org/10.1002/ecy.3187.
圖1 實驗設計
圖2 土壤馴化對外來植物（橘色）和本地植物（紫色）平均生物量的影響。 高平均生物量代表更高競爭能力。在外來植物馴化的土壤上，后來的外來植物平均生物量高于后來的本地植物。
圖3 不同植物土壤微生物群落的相似度（a）。藍色代表相似度低，紅色代表相似度高。左上角為外來植物之間的相似度，右下角為本地植物之間的相似度，中間為外來植物與本地植物之間的相似度。土壤微生物群落相似度與土壤遺留效應的關系（b）。正的土壤遺留效應代表植物對土壤馴化促進后來植物的生長。本圖僅展示內生真菌，細菌，整體真菌的結果具有相同趨勢，但不顯著，具體可見原文。
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