木质素代谢参与外来入侵植物加拿大一枝黄花生态适应机制的研究

Solidago canadensis, a worldwide invasive weed, has been successfully invaded seven provinces in southeast of China, and potentially expands toward the northwest. The invasiveness of Solidago canadensis has threatened the local socio-economy, natural ecosystems including the biodiversity seriously. Its invasion mechanisms have been widely investigated, but most of these studies based on the biological characteristics related to invasiveness of the species. Nevertheless,the response mechanism of the invasive plants to local habitat environnement are less involved.Our previous studies showd the ecological adaptation of Solidago canadesis during the invasion . In this project, we selected 20 populations for each invasion and origin Solidago canadensis , respectively.We planned to compare the diffrence of the lignin allocation between stalk defense tissues and growth tissues; to study the effects of this difference on plant defensive function and growth function, so that to reveal the molecular mechanisms that cause the differences in plant cell wall lignin metabolism to involved in ecological adaptation of invasive plants, in order to provide the new basis for the enemy release hypothesis and enrich the invasion biology theory.

加拿大一枝黄花是一种世界性的入侵杂草。在我国已成功入侵东南部7省区，并有向西北部扩张的趋势，严重威胁当地的社会经济、自然生态系统和生物多样性。目前国内外对其入侵机制已开展了广泛研究，但这些研究大多基于该物种本身的主动入侵能力方面，而有关其对入侵地生境的生态适应应答机制却较少有涉及。本项目的前期研究表明加拿大一枝黄花入侵过程中发生了入侵生态适应，特别是木质素代谢水平上的变化。因此本项目筛选原产地和入侵地加拿大一枝黄花种群各20个，比较种群间木质素在茎秆防御组织和生长发育组织之间的分配差异；研究该差异对植株天敌防御能力及生长发育能力之间的影响；进一步揭示调控该差异分配的木质素代谢关键酶。最终明确木质素代谢参与入侵植物生态适应的分子机制和作用。为天敌逃逸假说提供新的依据，丰富入侵生物学理论。

加拿大一枝黄花的入侵严重危害了社会经济、自然生态系统和生物多样性。目前国内外对其.入侵机制已开展了广泛研究，但这些研究大多基于该物种本身的主动入侵能力方面，而有关其对入侵地生境的生态适应应答机制却较少有涉及。本项目的前期研究表明加拿大一枝黄花入侵过程中发生了形态演化，表现为入侵后种群生长速度更快，植株更高大，为了揭示该演化的机制。本项目中我们首先比较了原产地和入侵地种群的加拿大一枝黄花茎秆发育情况，发现维管组织发育在入侵后发生了显著的变化，表现为木质部发育提前而韧皮部发育滞后。采用Quantifasga法定量研究证实入侵地种群更倾向于较早地发育其木质部导管，而茎秆的韧皮纤维的木质素化发育稍微延迟。蛋白和基因表达实验证实在发育的全部阶段入侵地种群韧皮纤维中，木质素代谢关键酶的酶活和木质素代谢通路关键基因表达量均显著低于原产地种群，因此推测入侵地加拿大一枝黄花韧皮纤维发育滞后与木质素代谢通路的调控有关。病原菌SC64侵染实验不同种群的加拿大一枝黄花茎秆后发现入侵地种群对于侵染更加敏感，表现为病斑出现的较早，且侵染相同时间病症更显著。证实了入侵后加拿大一枝黄花防御能力减弱。进一步基因表达实验发现受到SC64侵染后所有种群维管组织中韧皮部木质素代谢关键基因表达有响应，但相较于原产地种群，入侵地种群受到SC64刺激后所基因上调的程度较小，因此我们推测入侵地种群韧皮纤维较弱的木质素化程度以及较弱的基因响应是该种群防御能力减弱的原因。综合本研究的结果，我们提出了一个全新的机制用于论证入侵机制中的天敌逃逸假说，即植物的维管组织木质素化再分配。在我们的研究中，入侵后加拿大一枝黄花种群茎秆维管组织表现出更强的木质部导管，该特征与入侵地种群显著增强的生长发育能力关系密切；同时我们发现入侵地种群维管组织韧皮纤维发育滞后，木质素化程度减弱，且受到病原菌攻击时木质素代谢基因响应较慢，从而影响了入侵地种群的防御能力。