东北地理所与康斯坦茨大学合作揭示土壤微生物在入侵灾难中的重要性

外来入侵生物造成的生态破坏与经济损失使得我们急需探究外来种成功入侵的原因。长久以来，高竞争能力一直被认为是外来种成功入侵的关键。但是过去的研究大多关注两物种竞争（一个本地种与一个外来种的竞争），很少探究多物种的竞争。此外，竞争有不同的类型，被广泛研究的是对资源的竞争，但是竞争也可以通过其它营养级产生。因此，中国科学院东北地理与农业生态研究所生物入侵生态学研究团队与德国康斯坦茨大学生态学研究团队通过实验旨在研究第三个物种是否会通过改变土壤微生物来改变外来种和本地种的竞争结果。

研究人员利用植物-土壤反馈的研究手段（图1），在第一阶段，选择了4种外来植物和6种本地植物分别对土壤进行了驯化（即随着植物的生长，它会改变土壤微生物的构成），并设置了一个没有植物的对照。植物生长15周后，研究人员收获了土壤，并采样进行扩增子测序得到土壤细菌和真菌的群落结构。在第二阶段，研究人员将新一批植物（5种外来植物和5种本地植物）种在了收获的土壤，共设置了5个竞争处理：外来/本地种的单种，外来/本地种的单物种种群，以及外来本地种的混种群落。

研究发现：当没有第三个物种（即土壤没有被驯化），或者第三个物种是本地植物的情况下，后来的外来植物和本地植物的平均生物量无显著差异，表明其竞争能力没有显著差异（图2)。然而当第三个物种是外来植物时，后来的外来植物竞争能力高于本地植物。这一发现支持了“入侵灾难”假说（invasional meltdown hypothesis)，即外来种会互相促进彼此的入侵，从而取代本地种。该研究进一步发现，不同植物对土壤微生物群落的影响不同。更重要的是，外来种两两之间的土壤微生物群落相似度很低（图3a），并且土壤微生物群落相似度低的物种之间的负作用小（图3b）。这揭示了本研究中发现的“入侵灾难”是由土壤微生物驱动的。

该研究由德国康斯坦茨大学张致杰博士（第一作者）、中科院东北地理与农业生态研究所刘艳杰研究员（通讯作者）等共同完成，研究成果于近期发表在国际生态学Top期刊Nature Ecology & Evolution上。本研究是张致杰博士与刘艳杰研究员在土壤微生物介导的外来植物入侵方向合作的第二篇文章，两人合作阐明的“土壤微生物介导的外来植物和本地植物之间的竞争是‘多样性-入侵性’之间负相关关系的潜在机制”也于不久前在线发表在生态学经典期刊Ecology上。

相关论文信息：

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.

图1 实验设计

图2 土壤驯化对外来植物（橘色）和本地植物（紫色）平均生物量的影响。 高平均生物量代表更高竞争能力。在外来植物驯化的土壤上，后来的外来植物平均生物量高于后来的本地植物。

图3 不同植物土壤微生物群落的相似度（a）。蓝色代表相似度低，红色代表相似度高。左上角为外来植物之间的相似度，右下角为本地植物之间的相似度，中间为外来植物与本地植物之间的相似度。土壤微生物群落相似度与土壤遗留效应的关系（b）。正的土壤遗留效应代表植物对土壤驯化促进后来植物的生长。本图仅展示内生真菌，细菌，整体真菌的结果具有相同趋势，但不显著，具体可见原文。