种内分化与表型可塑性协同驱动意大利苍耳(Xanthium italicum)入侵成功的机制研究

本研究针对入侵植物意大利苍耳(Xanthium italicum)在中国的生态适应机制，通过设置不同氮添加处理(无氮NN、低氮LN、高氮HN)的共性园实验，揭示了其种内分化与表型可塑性对入侵成功的协同作用。研究发现：无氮条件下10个入侵种群在根长、株高等6项生长性状存在显著分化；氮添加后入侵种比本土西伯利亚苍耳(X. sibiricum)表现出更高的生物量(增长50.0% vs 19.6%)和茎基直径(增长20.0% vs 5.9%)可塑性。该成果为理解生物入侵的生态进化机制提供了新视角，对入侵物种防控具有重要指导意义。

　　

在全球生物多样性丧失的背景下，生物入侵已成为威胁生态系统稳定的重要因素。意大利苍耳(Xanthium italicum)作为原产北美的恶性入侵杂草，近30年来已扩散至中国六省/直辖市，造成农作物减产(如使玉米减产90%)和生态破坏。尽管已有研究提出多种入侵机制假说，但关于该物种在异质生境中的种内分化(intraspecific differentiation)和表型可塑性(phenotypic plasticity)协同作用仍缺乏系统评估。这两个关键特征分别反映了物种应对环境选择的遗传适应能力和表型调整能力，对理解入侵植物的快速适应机制至关重要。

石河子大学与中国农业科学院的研究团队通过多年度共性园实验，首次整合分析了意大利苍耳在中国的种群分化格局及其对氮资源的可塑性响应。研究选取来自不同气候区的10个入侵种群(代表日本、美洲和蒙古三种来源)与本土近缘种西伯利亚苍耳(X. sibiricum)进行对比，设置无氮(NN)、低氮(LN: 2g尿素/盆)和高氮(HN: 4g尿素/盆)三种处理，测定相对叶绿素含量、生物量等6项生长性状。

关键技术方法包括：1)跨年度(2020-2022)共性园实验消除母体效应；2)基于中国六省10个入侵种群(各30个体)和新疆10个本土种群的种子材料；3)采用相对距离可塑性指数(RDPI)量化表型响应；4)通过自交授粉控制杂交干扰。

主要研究结果
无氮条件下的表型分化
在NN处理中，不同入侵种群表现出显著生长差异：GHC种群具有最低叶绿素含量(7.1 SPAD)和生物量(12.16g)，而LTS种群生物量最高(26.42g)；SHZ种群株高(115.5cm)是GHC种群(61cm)的近两倍；DWC种群冠幅(26.8cm)和茎基直径(4.19mm)均最小。这种分化模式与种群地理来源无直接关联，表明入侵后可能发生了快速适应性进化。

氮添加下的可塑性响应
HN处理使入侵种生物量增长50.0%(本土种仅19.6%)，茎基直径增长20.0%(本土种5.9%)。RDPI分析显示入侵种在生物量(0.19±0.03 vs 0.11±0.02)和茎基直径(0.09±0.01 vs 0.03±0.01)的可塑性显著高于本土种(P<0.05)，证实其对氮资源的高效利用能力。

讨论与意义
该研究揭示了意大利苍耳入侵中国的双重机制：1)种内分化使不同种群在无氮环境中呈现差异化生长策略，如SHZ种群通过株高优势竞争光照，LTS种群优先积累生物量；2)高表型可塑性使其在氮富集环境中快速调整资源分配，形成相对于本土种的竞争优势。这些发现支持"入侵综合征"理论中功能性状可塑性的关键作用，为预测该物种在氮沉降加剧背景下的扩散风险提供了科学依据。研究建议在防控实践中重点关注高可塑性种群，并通过调控农田氮肥使用抑制其入侵。论文发表于《Journal of Plant Ecology》，为生物入侵的生态进化研究提供了范式借鉴。