热带地区树木的植物化学多样性和植食性更高

作者：哀牢山站  更新时间：2024-06-27

热带地区的生物多样性为何如此丰富？这个谜团几十年来一直吸引着生态学家和演化生物学家。一般来说，低纬度热带地区的物种数量明显高于高纬度温带地区，尤其是树木种类，从而形成了树种丰富度随纬度降低而单调递增的趋势。已有大量研究表明，生物间的复杂互动，例如植物与昆虫和病原菌等的相互作用，在塑造这种生物多样性分布格局中起着非常重要的作用。特别是在热带雨林，专食性昆虫和病原菌通过同种负密度依赖效应，极大地促进了树种在局域尺度的共存。

尽管我们对生物相互作用在塑造纬度梯度生物多样性分布格局上的重要性有了一定的认识，但许多基础理论预测仍待验证。例如，热带地区的树种由于面临更强的植食性昆虫选择压力（表现为更高的植食率和专食性昆虫的比例），它们是否会产生出组成和结构各异的代谢产物？进一步来说，这些代谢产物是否会在森林的内部和之间形成更加多样化的分布？而且，在外部环境因素的影响下，植物体内的代谢产物是否会迅速演变，从而导致这些代谢产物的演化具有极高的不稳定性？

近日，中国科学院西双版纳热带植物园（以下简称“版纳植物园”）森林生态系统结构、功能与动态研究组与美国圣母大学的研究团队合作，针对上述问题取得了突破性成果，在国际生态与进化领域顶级期刊Nature Ecology & Evolution上发表了最新研究成果“Tree phytochemical diversity and herbivory are higher in the tropics”。该研究以课题组长期建立的云南省跨气候带（西双版纳热带、哀牢山亚热带和玉龙雪山亚高山温带）海拔梯度森林样方为研究平台，利用非靶向代谢组学技术测定树种叶片代谢产物组成，通过比较代谢组学、多样性指数、系统发育比较分析等分析方法，开展群落水平上树种化学多样性沿环境梯度的分布规律研究，并结合树种叶片的植食率和昆虫食性比例，探究树种叶片化学多样性格局与植食性选择压力的相关性。

研究发现，三个气候区域（热带、亚热带和亚高山）的树种叶片在代谢产物组成上存在显著性差异。特别是热带地区的树种，其化学生态位空间显著高于亚热带和亚高山地区。热带地区的树种化学alpha（样方内）和beta（样方间）多样性均为最高，这表明热带地区树种的代谢产物在组成和结构上的相似性非常低。其中，热带地区样方间的植物代谢产物差异性显著地高于零模型预期，因而推测这种高周转率可能是热带地区树种高植物化学多样性的关键来源。相比于其它气候区域，热带地区树种面临着更高的植食性昆虫选择压力，具体表现为更高的植食率和食性更为专一的昆虫比例。该研究结果不仅提供了关于跨气候带环境梯度下植物化学多样性和植食性昆虫选择压力空间分布格局的广泛证据，而且从化学生态学的角度为我们理解植物的生态适应策略开辟了新的视角，进一步拓展了我们对生物多样性维持机制的理解。

该成果是版纳植物园森林生态学研究团队在探讨多性状维度的生态位分化（Yang et al.,Journal of Ecology,2024;Wang et al.,Journal of Ecology,2022）、热带森林植物化学多样性对植食性的影响（Wang et al.,Ecology Letters, 2023），以及细根化学多样性与根际微生物互作（Zhang et al.,Science of The Total Environment,2024）等多个前沿领域后，取得的又一重要标志性进展。

版纳植物园森林生态系统结构、功能与动态研究组已出站博士后孙露为论文第一作者，杨洁研究员为论文的通讯作者。版纳植物园曹敏研究员、美国圣母大学Nanthan G.Swenson教授、博士研究生何云雲、已毕业研究生王雪昭博士（现西南林业大学）和云南民族大学硕士周翔参与了本项工作。该研究在数据采集和分析过程中得到了云南西双版纳森林生态系统国家野外科学观测研究站补蚌工作站、哀牢山森林生态系统国家野外科学观测研究站、丽江森林生态系统野外科学观测研究站和中国科学院昆明植物研究所分析测试中心的支持，并得到了中美生物多样性合作研究项目、国家自然科学基金、中国科学院、云南省、版纳植物园“十四五”等项目的资助，在此表示感谢。

图1三个气候区间整体代谢产物水平的化学多样性（alpha和beta）格局。

图2研究区域内植食性昆虫选择压力（植食率和专食性）沿环境梯度分布格局。