自然界中形形色色的物種為什么能夠共同生活在一起?這背后隱藏著什么奧秘?早在上世紀(jì)70年代,美國(guó)生態(tài)學(xué)家Daniel H. Janzen和Joseph H. Connell基于熱帶雨林的研究提出,具有寄主專一性的植物病原真菌、植食性昆蟲(chóng)等“有害生物”有利于森林樹(shù)種共存和多樣性維持。
植物病原真菌和昆蟲(chóng)會(huì)影響植物物種共存和多樣性
我們先來(lái)認(rèn)識(shí)這兩種“有害生物”。
植物病原真菌,是指那些寄生于植物體內(nèi)并引發(fā)病害的真菌。它們依靠繁殖孢子的彈射,或借助空氣或雨水等外力在植物間進(jìn)行傳播,引發(fā)植物病害。植物葉片上的黑斑、白粉或繡粉等癥狀都是由植物病原真菌引起的。
圖1.被病原真菌感染的植物葉片

圖2.被病原真菌感染的植物葉片
昆蟲(chóng),是地球上種類(lèi)最豐富的生物類(lèi)群,而植食性昆蟲(chóng)約占昆蟲(chóng)總類(lèi)的一半,是以植物活體為食的昆蟲(chóng)。根據(jù)取食部位可分為食葉類(lèi)、刺吸式、蛀干類(lèi)和種實(shí)類(lèi)昆蟲(chóng)等。例如,蛾類(lèi)和甲蟲(chóng)類(lèi)都是常見(jiàn)的植食性昆蟲(chóng)。
圖3.落葉松毛蟲(chóng)幼蟲(chóng)Dendrolimus superans (Butler),危害落葉松等針葉樹(shù)種
圖4.落葉松毛蟲(chóng)成蟲(chóng)Dendrolimus superans (Butler),危害落葉松等針葉樹(shù)種
圖5.光肩星天牛成蟲(chóng) Anoplophora glabripennis,危害懸鈴木、柳、楊等
植物病原真菌的侵染或植食性昆蟲(chóng)的啃食,會(huì)直接減弱植物的光合作用,抑制植物生長(zhǎng),甚至導(dǎo)致植株死亡。具有寄主專一性的病原真菌、植食性昆蟲(chóng)等有害生物聚集在同種植物個(gè)體周?chē)?,抑制了植物同種后代的增補(bǔ)和存活,為其他種定植提供了生存空間,避免單一物種占據(jù)整個(gè)植物群落,進(jìn)而促進(jìn)植物物種共存和多樣性維持。
尋找病原真菌和昆蟲(chóng)影響溫帶森林物種共存的秘密
目前越來(lái)越多的實(shí)驗(yàn)研究證明,在氣候高溫潮濕、多樣性豐富的熱帶雨林地區(qū),病原真菌和植食性昆蟲(chóng)是維持熱帶雨林地區(qū)樹(shù)種共存的重要因素。那么,在氣候相對(duì)寒冷、多樣性較低的溫帶森林地區(qū),病原真菌和植食性昆蟲(chóng)等有害生物是否也起著這樣的作用呢?
溫帶森林約占全球森林覆蓋總面積的25%,廣泛分布于亞歐大陸和北美洲等地區(qū)。在我國(guó),東北地區(qū)有著保存最完整分布最廣的溫帶森林,其中,闊葉紅松林作為該區(qū)的典型地帶性植被,其多樣性遠(yuǎn)高于同緯度的歐洲和北美溫帶森林。

圖6.闊葉紅松林
中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)應(yīng)用生態(tài)研究所天然林生態(tài)組,聯(lián)合美國(guó)康涅狄格大學(xué)的研究人員,在東北溫帶森林的核心區(qū)-長(zhǎng)白山闊葉紅松林建立了控制實(shí)驗(yàn)樣地,研究病原真菌和昆蟲(chóng)對(duì)喬木幼苗的影響,進(jìn)而揭示其對(duì)該區(qū)溫帶森林物種共存的作用。
病原真菌和昆蟲(chóng)能為樹(shù)木的其他“鄰居”提供生存空間
研究發(fā)現(xiàn),病原真菌更喜歡生活在同種成年大樹(shù)較多的區(qū)域,從而影響了同種幼苗的增補(bǔ)和存活;昆蟲(chóng)也有類(lèi)似的習(xí)性,但它們主要影響幼苗增補(bǔ),對(duì)幼苗存活影響較弱。這表明,病原真菌和昆蟲(chóng)通過(guò)密度制約的方式,抑制了溫帶森林同種樹(shù)木的定植,為其他樹(shù)種提供生存空間,進(jìn)而促進(jìn)溫帶樹(shù)種共存和多樣性維持。
然而,病原真菌和昆蟲(chóng)對(duì)幼苗增補(bǔ)和存活的影響程度,也受樹(shù)種的菌根類(lèi)型和耐陰性等屬性的影響。病原真菌能強(qiáng)有力地抑制外生菌根樹(shù)種和耐蔭樹(shù)種大樹(shù)周?chē)N幼苗增補(bǔ);而植食性昆蟲(chóng)則顯著降低非耐蔭樹(shù)種大樹(shù)周?chē)挠酌缭鲅a(bǔ)(圖7)。
圖7.病原真菌、昆蟲(chóng)及樹(shù)種屬性對(duì)幼苗更新的影響
這說(shuō)明,病原真菌和植食性昆蟲(chóng)可以有效防止某一類(lèi)樹(shù)種過(guò)分強(qiáng)大,進(jìn)而獨(dú)占整個(gè)森林群落。這也證實(shí)了它們對(duì)于維持溫帶森林物種共存的重要作用,但其影響強(qiáng)度與樹(shù)種屬性密切相關(guān)。
這一發(fā)現(xiàn)為理解溫帶森林生物多樣性維持機(jī)制提供了重要的實(shí)驗(yàn)證據(jù)。同時(shí)該研究還能為溫帶森林經(jīng)營(yíng)管理提供理論依據(jù),例如,樹(shù)種較為單一的森林結(jié)構(gòu)容易受到病原真菌和昆蟲(chóng)等的攻擊,而配置一定比例的異種“鄰居”,則能夠提高整個(gè)森林的健康狀況和生物多樣性水平。
該研究結(jié)果以Tree species traits affect which natural enemies drive the Janzen-Connell effect in a temperate forest為題,于2020年1月15日在線發(fā)表于Nature Communications(DOI: 10.1038/s41467-019-14140-y)。(原發(fā)表于“中科院之聲”微信公眾號(hào)2020年3月12日“原創(chuàng)科普”欄目)




