长达200多年的古老谜题:热带植物为什么如此丰富?

【字体: 时间:2019年03月18日 来源:生物通

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  来自昆虫的持续压力迫使植物创新:生产新的化学物质来保护自己。根据巴拿马史密森热带研究所巴罗科罗拉多岛研究站的研究结果,这是对热带多样性的最新和最好的解释。该研究发表在Science 杂志上。

  

热带雨林比地球上任何地方树种都多。例如,厄瓜多尔一片橄榄球场大小的森林(1公顷)包含655个树种,超过了美国和加拿大的总和。如此高的多样性使科学家们困惑了200多年,因为对于如此多的物种来说,它们必须有稍微不同的生态位——或者不同的谋生方式。如果它们太相似,那么最有效的物种就会消灭其他物种。然而,由于所有的植物都需要光、水和营养,很难想象有这么多独特的方式来划分这些资源。

这项研究的作者提出一个新观点,认为是以植物为食的昆虫促进了如此高的多样性。在进化军备竞赛中,饥饿的昆虫逃避植物的化学防御,迫使植物不断地想出新的防御化学物质来保护它们的叶子。

“植物不能躲避敌人,因此它们进化出一套防止被吃掉的策略,”文章的共同作者史密森热带研究所副研究员,犹他大学教授Phyllis Coley说。“最有效的方法之一是生产出味道不好或有毒的化学物质。我们发现,在我们的研究中,平均约45%的叶子重量由保护性化学物质组成。”

在昆虫较少的季节,植物也通过展开新叶来保护自己;他们招募好斗的蚂蚁作为护体,或用毛或刺盖住树叶。每种植物最后都有一套独特的防御系统。美国国家科学基金会支持的这项研究表明,树苗生长会减慢,当他们的邻居有相似的防御,被同样的昆虫吃掉。

具有不同于邻居防御特性的幼树具有生长和生存优势。如果没有一个物种能够统治森林,这就导致了一个由许多不同物种组成的森林,这些物种在防御能力上是不同的,因此在攻击它们的昆虫中也是不同的。

研究小组把他们的研究重点放在了九个树种上,它们都属于同一个叫印加(Inga )的类群或属。因为印加叶含有超多化学物质,土著人使用印加种子来治疗从头痛到关节炎的所有疾病。与可可和咖啡同种的印加豆树能提供树荫和柴火,它们的长而硬的豆荚中含有包裹在美味果肉中的豆子,因此它们也被称为冰淇淋豆。

研究小组还利用了世界上研究得最好的一块热带地域,以了解为什么九种不同的印加树在一个地方生长。在科罗拉多巴罗岛的史密森尼森林地理区,自1980年以来,每五年都会绘制、识别和测量一个人拇指(大于一厘米)以上的所有树木。除了注意到这九种印加属植物自卫的所有方式外,研究小组成员还收集了600多种以植物为食的活跃昆虫。

 
 
“我们发现吃印加叶的大多数昆虫都是毛虫,” 犹他大学博士研究生和该研究的第一作者Dale Forrister说。“由于该区域的毛虫没有可以识别的特点,我们对以树为食的600多种昆虫的线粒体基因细胞色素氧化酶的DNA进行了测序。DNA条形码告诉我们,这9种印加树上有55种不同的昆虫。”

“我们的研究结果表明,在幼树期,作为热带森林树木的一个重要发育瓶颈,叶片取食昆虫的压力是树木多样性的关键驱动力,因此,对于维持热带多样性是至关重要的,”Forrister说。

原文检索:Forrister, D.L., Endara, M.J., Younkin, G.C., Coley, P.D., and Kursar T.A. 2019. Herbivores as drivers of negative density dependence in tropical forest saplings. Science. DOI: 10.1126/science.aau9460

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(生物通:伍松)

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