入侵植物北美车前对丛枝菌根依赖性的进化开题报告

1.1 研究意义

外来植物入侵已经成为全球的研究热点，不少研究从上述过程中的各个环节及相关因素出发，初步阐明了一些外来植物入侵的机制或假说。关于植物微生物共生关系对植物入侵的成功影响相对较少，但是互利共生行为对植物生长具有重大意义[1]，并且能够加速植物入侵的成功[2]。因此了解根菌共生植物如何影响其入侵很可能是入侵植物物种的生态和管理的，以及保护原生栖息地的生物的一个关键方面。

1.2国内外研究概况

1.2.1 国内外研究现状分析

生物入侵是指某种生物从外地自然传入或人为引种后，种群迅速增长、扩散，并对本地生态系统造成一定危害的现象。其中外来植物入侵是生物入侵中的一个重要组成部分。全球化的发展趋势促进了外来植物的引进，也加速了外来植物的入侵，究竞是什么原因导致这些外来植物变为入侵植物，生态学家就这个问题开展了大量的研究工作，以期探寻外来植物成功入侵的机制。在早期的研究中，由于研究方法、技术条件的限制，对于入侵植物与生态系统各组分间相互作用关系的研究多集中在植物自身的特性上，比如：1）强大的竞争能力或对资源的高效利用能力[3]；2）强大的繁殖和扩散能力[4]；3）广阔的生态幅，能适应多种环境[5]，以及这些能力的进化。表型可塑性是入侵种适应新的生境的重要手段，指同一个基因型的个体为适应环境变化而表现出不同的外在特点。这是生物界普遍存在的现象之一，是生物适应和表型进化的基础，通常包含生长变异、代谢变化以及生活应对等各个方面[67]。表型可塑性被认为是物种个体对环境变化或影响的最明显的反应特征，可以拓宽其生态幅，扩展其可利用的潜在资源，有利于生物获得更多的营养，从而占据更加多样化的生境，使外来入侵种与土著种相比获得选择上的优势，是生物入侵的重要机制之一。表型可塑性在入侵植物的快速适应过程中起了关键作用，使其在有利的环境条件下提高竞争力。

但随着入侵生态学的发展，人们将研究延伸至地下，并认识到土壤中的微生物群落在调节生态系统水平上的各过程时发挥着重要作用，其组成、功能与地上植物群落的组成、功能存在密切联系表现为动态反馈关系[8]。在外来植物入侵过程中，这种反馈关系表现为：外来植物的入侵引起入侵地土壤微生物群落的改变，反过来这种变化通过影响外来植物与当地植物问的竞争来重新布局地上植物群落。目前许多生态学家开展了这方面的研究，并提出了如下可能的入侵机制。1）生物抗力假说[7]。入侵地的生物抗力类似于人类的免疫系统，入侵群落被视为一个有机的整体，可通过土著种、物种多样性、植食动物、真菌或病原菌等有机因子对入侵者产生不利影响。在自然生态系统中，植物与土壤微生物间普遍存在负反馈关系，这有助于保持物种多样性；2）天敌逃逸假说[9]，指一个植物物种被引入到新的环境中后，由于它的植食者和其他天敌缺乏，会导致它在数量上增长、在空间上扩张，如入侵欧洲西北部的北美黑樱桃（Prunus serotina）其成功入侵是因为逃逸了原产地的土传病原体；3）病原菌积累假说[10]。该假说认为外来植物在其根周围可以积累当地抑制本地植物生长的病原菌，当这些病原菌对外来植物的致病性比本地植物弱时，病原菌的积累会间接的增加入侵植物的竞争优势；4）新武器假说[11]，外来植物通过分泌化感物质影响入侵地土壤微生物群落进而实现自身入侵。这一入侵方式在矢车菊属多个种的入侵过程中都有体现。

1.2.2 植物-丛枝菌根真菌共生关系对植物入侵的影响

目前为止，以上这些土壤微生物-植物反馈关系对植物入侵影响已经得到了广泛的的研究，在不同的外来植物入侵案例中都得到了验证，但土壤微生物-植物反馈关系中重要的共生反馈关系对植物入侵的成功研究较少。外来植物对共生系统改变的进化性适应也极少受到关注，尽管这对于植物传粉和营养吸收有重要影响。已有的研究认为，植物入侵可能会破坏共生生物与本地种的共生关系，从而增强自身的竞争优势达到入侵成功^[12]。在此类共生关系中，植物-丛枝菌根真菌（arbuscular mycorrhizal fungi, AMF）共生是最为重要也最受到关注的一种植物-微生物共生关系。AM是典型的互惠共生体，且AMF不能自养，只有依靠宿主植物为其提供碳水化合物。当碳水化合物源源不断的从宿主植物运输至AMF时，AMF为宿主植物又能提供什么呢? 前人的大量研究发现AMF对宿主最主要的贡献是促进植物的营养吸收[13]。AMF根外菌丝与植物的根毛在功能上有些类似，也可以看作是营养吸收器官。AMF菌丝有效的拓展了植物根的吸收面积，并且将吸收范围延伸到由于植物根系直接吸收土壤营养而形成的营养匿乏区之外，为宿主吸收更多的矿质元素。Smith等[14]把Glomus intraradices接种3种不同的植物发现, 植物100%的磷吸收是通过菌根途径, 这说明了AMF在促进宿主磷吸收方面起着非常重要的作用。除此以外, 在植物对氮素及铜、锌等元素的吸收过程中，AMF也具有积极的促进作用[15]。

已有的研究表明，入侵植物绝大多数都能与AMF存在共生关系。但是与AMF共生是否对入侵植物比本地物种更有利还尚不清楚。在对入侵植物和本地植物分别从AMF获利的比较中，衍生出两个对立的假说，一个是退化共生假说，是指入侵植物不能形成或形成很少的AMF共生体，从中获利小于本地植物，那么入侵植物就会减少对真菌的依赖性，从而把资源投入在别的方面，比如防御功能来增强与本地植物的竞争[16]；另一个是增强共生假说，是指入侵植物在这种互利共生关系中获利大于本地植物，那么相反，外来植物会有较高的共生真菌依赖性[17]。

3.1 研究方法

本实验采用北美车前添加AMF（ AMF）和不添加AMF(-AMF)处理，比较处理间北美车前叶面积、叶长、叶宽、比叶面积、生物量、光合作用强度、物候、C、N、P含量等形态及生理生态特征，探讨北美车前对菌根的依赖性是否发生了快速进化。

3.2技术路线

如下图所示

图1.技术路线

3.3实验方案

本实验采用北美车前添加AMF（ AMF）和不添加AMF(-AMF)处理，每个种群每个处理30个重复，3个原产地北美车前种群（编号为UF、UG、UN）和3个入侵地北美车前种群（编号为CF、CJ、CN）。种子采集地点如表1所示。

表1. 实验所用北美车前种子采集地点

3.3.1植物C/N测定

称取烘干、磨细的植物样品（过0.25 mm筛）0.3000g~0.5000g，使用元素分析仪测定。

3.3.2植物全P测定

准确吸取定容，过滤或澄清后的消煮液5～20ml(V₂,含P0.05～0.75mg)放入50ml容量瓶中，加2滴二硝基酚指示剂，滴加6mol/LNaOH中和至刚呈黄色，加入10.00ml钒钼酸铵试剂，用水定容(V₃)。15min后,用1cm光径的比色槽在波长440nm处进行测定，以空白溶液（空白溶液消煮液按上述步骤显色），调节仪器零点。

校准曲线或直线回归方程：准确吸取50mg/L P标准液0，1，2.5，7.5，10，15ml分别放入50mL容量瓶中，按上述步骤显色,即得0，1.0，2.5，5.0，7.5，10，15 ml P的标准系列溶液,与待测液一起进行测定,读取吸光度,然后绘制校准曲线或求直线回归方程。计算结果如下：

ω(P)=ρ(P)V₃(V₁/V₂)10^-4/m

式中：

ω中：0ω植物磷的质量分数，%；

质量分数，数，从校准曲线或回归方程求得的显色液中磷的质量浓度，mg/L；

V₁消煮液定容体积，ml；

V₂吸取测定的消煮液体积，ml；

V₃显色液体积，ml；

m称样量，g；

10^-4将mg/L浓度单位换算为百分含量的换算因数。

3.4可行性分析

本实验采用的同质园实验是生态学中一种非常成熟的研究方法，也是研究植物适应性进化的基本方法。同质园实验是将不同生境群居的个体引种栽植在同一园地，保持其生境一致性，剔除表型变异中的环境因素而单独考察遗传因素的效应，可检测种群间表型差异是归因于表型可塑性还是适应分化^[18]。

本实验对象北美车前的选用具有科学意义。北美车前原产北美洲，目前在我国中东部地区已经是一种常见的外来杂草，分布于荒山草坡、路边、宅旁及部分蔬菜地，是一种典型的外来种，呈现爆发式繁衍趋势，具有很大的危害性^[19]，被纳入中国主要农林外来入侵植物^[20]。目前有关北美车前的研究主要集中在对其生物和生态学特性的分析以及对其入侵性评估^[21]。张万灵等^[22]研究发现，北美车前在模拟增温条件下，不但使自身个体增大，相对提高了其在群落中的竞争能力；而且同时增加了对繁殖的投资，扩散能力得到加强，从而使其成为更具爆发性入侵的潜力。

已有的实验条件可支持本实验展开。南京农业大学有良好的供同质园实验的温室和实验场地，且本项目所在课题组曾成功开展过类似的工作。本项目的指导老师曾经在中国和美国开展过同质园研究，有丰富的研究经验，可以科学地、合理地为解决实验过程中遇到的问题进行指导，从而确保本项目的顺利完成。