外来植物最易侵入的生境通常是遭到严重干扰和破坏的地域，而重金属污染则是导致生境破坏的元凶之一。前期有研究发现，部分入侵植物对重金属的积累和耐受能力显著高于同属的本地植物，从而有利于其定殖和扩散。另一方面，元素防御假说认为重金属在植物体内的富集可被植物作为一种化学防御手段来保护自己免受植食性昆虫的侵害。但是，现存的研究大多集中于重金属污染对入侵植物生长和发育方面的影响，在元素防御假说的框架下针对重金属污染介导的入侵植物与相关植食性昆虫在互作关系方面变化的研究还鲜有报道，且其潜在的作用机制并不明确。
近日，云南大学西南跨境生态安全教育部重点实验室生物多样性研究院林恬恬副教授课题组联合来自于四川农业大学及荷兰莱顿大学的几位合作者在Plant, Cell & Environment 上发表了题为“Soil cadmium pollution facilitated the invasion of alligator weed through enhanced herbivore resistance and competitive ability over a congeneric species”的研究论文，详细探究了重金属镉污染背景下入侵植物空心莲子草和其本地同属竞争植物莲子草在物理和化学抗虫策略上发生的差异性变化以及该变化对其种间竞争能力的进一步影响。
本研究首次提出重金属污染会增强入侵植物对植食性昆虫的抵抗力，从而进一步扩大入侵植物在种间竞争中获得的优于本地同属植物的竞争优势这一假说。为了验证该假说，本研究首先在单株栽培实验中比较了入侵性杂草空心莲子草（Alternanthera philoxeroides）和其共生的本地同属植物莲子草（Alternanthera sessilis）在镉污染土壤中抗专食性和广食性两种类型昆虫取食的种间差异，其次通过开展种间竞争实验进一步探究这种抗虫性差异是否会影响两种植物在面对不同昆虫取食选择压力下的竞争能力。研究结果发现，在单株栽培实验中空心莲子草在应对镉污染时表现出更好的生长能力，且叶片中积累的镉更多。这说明空心莲子草比本地莲子草对镉胁迫的耐受性更强。昆虫选择行为实验表明，专食性和广食性昆虫对于取食对照处理下的两种植物有着相反的偏好。但是在镉污染背景下空心莲子草对两种类型昆虫的抗性均优于本地莲子草。进一步的种间竞争实验表明，无论是否有植食性昆虫的取食压力，镉污染在很大程度上都增加了空心莲子草对莲子草的竞争优势。为了进一步探究镉污染造成两种植株的抗虫性产生种间差异的具体原因，作者们测定了植株叶片内含物及与叶片结构型防御相关的一系列性状。结果发现，镉污染显著提高了空心莲子草的结构型防御水平，使其叶片的厚度，抗拉伸和穿刺的能力均优于本地莲子草。此外，本研究还采用了代谢组学技术对比了两种植物叶片内抗虫化学物质相对含量的差异性，发现本地莲子草在镉处理后部分黄酮类和单宁类抗虫化合物质的含量显著低于空心莲子草。
这些结果表明，在镉污染背景下两种植物对植食性昆虫抗性的差异可能是由于镉元素在空心莲子草叶片中高富集导致的直接毒害作用以及镉污染增强空心莲子草的结构防御水平的间接作用这两个因素的联合效应。这些结果可以为预测入侵植物在全球重金属污染加剧背景下的种间关系和入侵能力等方面的变化具有一定的指导意义。
原文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/epdf/10.1111/pce.14747
