食细菌线虫与产碱性磷酸酶菌群相互作用驱动土壤磷转化的机理:入侵植物和土著植物的比较研究

The comparative analyses on exotic plants and indigenous plants are of key importance to reveal invasion mechanism of exotic plants. Meta-analysis suggested that invasive plant species had globally higher phosphorus concentrations in photosynthetic tissues in comparison with their native plant species. Phosphorus utilization is an important factor affecting the rapid expansion of invasive plants. Subtropical and tropical soils are usually strongly weathered and have low phosphorus availability. Why can the invasive plants such as Sphagneticola trilobata successfully invade South China where soil phosphorus is deficient? This problem is of great significance to reveal the mechanism of invasive plants to soil barrenness. However, there has been few research to this topic so far. This project focuses on the organic phosphorus mineralization driven by soil nematode, alkaline phosphomonoesterase producing bacteria and their effects. By using both field experiment and culture experiment, this study aims to compare the processes of soil organic phosphorus mineralization of invasive plant Sphagneticola trilobata and native plant S. calendulacea in South China, and to reveal the underlying mechanism of the possible differences. This study will help to understand the general rule of plant invasion in resource poor habitats from the new perspective of soil organic phosphorus mineralization, which is the key process of the underground ecosystem, and will also provide new thoughts for the control of invasive plants.

外来植物和土著植物的比较研究是解析外来植物入侵机理的重要研究手段。Meta-分析发现入侵植物叶片磷含量显著高于土著植物，磷利用是影响入侵植物快速扩张的重要因素。我国华南地区土壤有效磷含量极低，然而，以南美蟛蜞菊为代表的入侵植物却能快速扩张，入侵植物为何能成功入侵土壤缺磷的华南地区？这一问题对揭示入侵植物耐土壤磷贫瘠的机理有重要意义，但迄今尚无相关报道。本项目拟以土壤食细菌线虫与产碱性磷酸酶菌群相互作用驱动有机磷矿化为主线，野外控制实验和室内培养实验相结合，对入侵植物南美蟛蜞菊及其同属土著植物蟛蜞菊开展比较研究，揭示二者间土壤有机磷矿化过程的差异及其驱动机理。将有望通过土壤有机磷矿化这一地下生态系统关键过程的新视角，理解入侵和土著植物在磷贫瘠土壤中获取磷养分的策略，为我国华南地区大范围入侵的外来植物防控措施的制定提供科学依据。

尽管入侵物种严重威胁生态系统的功能完整性，但它们对土壤磷循环等重要生态系统过程的影响尚不清楚。本项目通过开展野外控制实验，研究入侵植物物种与本地植物物种如何影响土壤功能，尤其是土壤磷循环。经过三年的实验，我们比较了入侵植物南美蟛蜞菊和本地蟛蜞菊引起的土壤磷循环和土壤微食物网（微生物和线虫）特性。我们还比较了这些植物在不同组织中的生物量和磷分配。同时开展了室内培养实验，以检查线虫和微生物的相互作用如何影响土壤有机磷矿化的生态过程。与本地物种相比，入侵物种具有更高的碱性磷酸单酯酶产生细菌、食菌线虫和碱性磷酸酶活性，并通过产生碱性磷酸酶的细菌和食细菌线虫的相互作用，促进土壤有机磷分解。此外，入侵物种的菌根定植率高于本地物种，使其能够吸收更多的磷，并将更多的磷分配给地上生物量，从而保持其更快的扩张。入侵物种在叶片中的核酸磷、结构磷和残留磷低于本地物种，因为入侵物种将更多的磷分配给代谢磷进行光合作用。我们的研究表明，入侵植物可以通过微生物与微动物的相互作用促进有机磷的分解。此外，入侵植物可能比原生植物具有更高的磷利用效率。尽管这些发现需要推广到更多的本土和入侵植物物种，但它们仍然为入侵物种如何在贫磷低纬度地区快速扩张提供了新的机制解释。