丛枝菌根菌丝网络（CMNs）介导的入侵植物竞争机制研究

Competition with native plants determines largely whether an introduced plant could successfully invade a new region. But current theories such as the enemy release hypothesis cannot fully explain the success of invasive plants. Recent studies suggest that arbuscular mycorrhizal fungi (AMF) can form common mycorrhizal networks (CMNs) as a conduit of nutrient and chemical exchange between co-occurring plants. However, whether and how CMNs alter competition between native and invasive plants remains elusive. We hypothesize that CMNs that link native and invasive plants 1) preferentially transfer and allocate more nutrients to invasive plants, 2) efficiently transport allolechemicals from invasive plants to, and therefore inhibit, their neighboring native counterparts. We will employ a model AMF-invasive plant species Solidago canadensis to test our hypotheses. We will combine hyphae ingrowth, isotope labeling and Gas Chromotograph-Mass Spectrometry techniques to investigate: 1) how CMNs regulate competition for resources between S. canadensis and a native plant species Kummerowia striata, 2) whether and how CMNs transport allelochemicals from S. canadensis to K. striata. We expect that results from our study will significantly advance the understanding of the underlying mechanisms of plant biological invasion, and provide a theoretical foundation for the control of the invasive plant S. canadensis in China.

外来植物与当地植物竞争关系是决定其是否可以成功入侵的关键因素；现有理论如天敌逃避假说不能完全解释入侵植物的竞争机制。新近研究表明丛枝菌根真菌可以通过菌丝融合形成菌丝网络（CMNs）连接邻近植物并直接改变植物之间物质传输、分配与交换；但是，CMNs是否及如何调控入侵种与当地种竞争关系有待深入研究。我们假设：连接入侵和当地植物的CMNs既可偏好性地分配入侵植物更多养分，又能快速有效传递自身化感物质抑制邻近植物。我们将利用模式入侵植物加拿大一枝黄花为研究对象，通过结合菌丝内生、同位素示踪、气相色谱-质谱联用技术来探究：1）CMNs如何调控入侵种加拿大一枝黄花与当地种鸡眼草之间的养分竞争；2）CMNs是否及如何传递加拿大一枝黄花的化感物质及其对邻近鸡眼草产生的效应。预期研究成果将进一步完善植物的入侵机理，并为我国入侵植物加拿大一枝黄花的治理提供一定依据。

植物入侵是外来植物在新入侵地建立、持续繁殖扩散并对当地生态环境造成破坏的过程。与本地植物的相互作用成为入侵植物成功入侵的关键因素。自然界中，入侵植物与本地植物可以通过丛枝菌根真菌（arbuscular mycorrhizal fungi，AMF）菌丝相连的地下菌丝网络（common mycorrhizal networks，CMNs）相互连接。因此共生菌丝网络可能会通过调控入侵植物与本地植物之间的相互作用来促进植物入侵。我们研究发现，共生菌丝网络会调控入侵植物加拿大一枝黄花（Solidago canadensis）与本地植物鸡眼草（Kummerowia striata）之间的矿物养分竞争，这种调控作用结果使得加拿大一枝黄花与鸡眼草竞争时，加拿大一枝黄花在菌丝网络不受干扰的情况下吸收了更多的养分并具有较好的生长优势，而相邻生长的本地植物鸡眼草生长没有变化，但养分吸收情况表现出相反的趋势。该部分结果发表在国际专业学术期刊《Mycorrhiza》。我们还研究发现在凋落物分解过程中，加拿大一枝黄花会与鸡眼草竞争凋落物分解矿物N养分。但鸡眼草的生长依然不受共生菌丝网络的影响。在通过稳定13C同位素示踪后我们发现，相较于鸡眼草，加拿大一枝黄花会向共生菌丝网络提供更多的光合固定碳。表明加拿大一枝黄花可能会通过向共生菌丝网络提供更多的碳，以换取自身生长需要的养分资源。而本地植物对于共生菌丝网络的碳分配比较少，生长也不受共生菌丝网络连接性的限制。这部分工作内容的论文我们已完成初稿，正修改中。因此, 我们的研究表明加拿大一枝黄花的养分吸收和生长受益于共生菌丝网络，而鸡眼草的生长不受菌丝网络连接性的影响但养分受损与共生菌丝网络。这种不平衡的网络连接效益，在长期竞争的情况下，共生菌丝网络可能会使加拿大一枝黄花成功渡过入侵新栖息地的潜伏期，为后续爆发式扩散排挤鸡眼草建立条件。