硅介导互花米草入侵种群防御策略的地理变异及其生态意义

本研究针对入侵植物互花米草(Spartina alterniflora)在原产地与引种地的防御演化机制，通过16个地理种群实验揭示了硅(Si)介导的物理/化学防御(JA、类黄酮)及营养性状(C:N)变异规律。研究发现硅添加显著增强叶片硅积累(+76%)和防御能力(JA+28%)，抑制广食性昆虫(黏虫-28%、飞蝗-43%)生长，且引种地种群表现出更高硅利用效率及纬度分化(低纬度+81% vs 高纬度+63%)。该成果发表于《Journal of Plant Ecology》，为理解入侵植物通过类金属元素(Si)快速演化防御策略提供了新视角。

　　

沿海湿地生态系统中，一种名为互花米草(Spartina alterniflora)的入侵植物正引发科学家们的浓厚兴趣。这种原产于北美的盐沼植物自1979年引入中国后，已沿东部海岸线扩张2000公里，成为我国海岸带最成功的入侵物种之一。但令人困惑的是，在原产地被多种专食性昆虫控制的互花米草，为何在缺乏天敌的新环境中仍能抵御42种广食性昆虫的侵袭？传统理论认为入侵植物通过"天敌释放"降低防御投入，但复旦大学生物多样性与生态工程教育部重点实验室的研究团队发现，这个故事可能隐藏着更复杂的进化剧本。

研究人员注意到地壳中含量第二的硅(Si)元素在植物防御中扮演着被忽视的角色。虽然硅在禾本科植物中含量可达干重的10%，但关于其在入侵植物防御演化中的作用仍是空白。更耐人寻味的是，前期调查显示中国沿海湿地有效硅含量波动达208 mg/kg，这种环境异质性是否驱动了入侵种群的分化？为解开这些谜团，研究团队设计了一项跨越原产地(美国)与引种地(中国)16个地理种群的实验，首次系统探究了硅介导的防御策略地理变异。

研究采用温室控制实验结合结构方程模型(SEM)分析，关键技术包括：(1)设置硅添加(Si+)与对照(Si-)处理，使用2 mM K₂SiO₃溶液模拟高硅环境；(2)测定叶片硅含量、茉莉酸(JA)、类黄酮等防御指标；(3)以黏虫(Mythimma separata)和东亚飞蝗(Locusta migratoria)进行生物测定；(4)通过高通量元素分析仪测定C/N比值；(5)采用穿透仪量化叶片硬度。

硅介导的防御性状变异
数据显示无论是否添加硅，中国种群叶片硅含量均显著高于美国原产地(p<0.05)。硅处理使整体硅积累提升76%，同时增强物理防御(叶片硬度+9%)和化学防御(JA+28%，类黄酮+12%)，但降低营养品质(C含量-2%，C:N比+5%)。引人注目的是，低纬度中国种群对硅添加响应更强，硅积累增幅达81%，显著高于高纬度种群的63%。

草食者生长抑制机制
两种广食性昆虫在取食中国种群时生长均受抑制(黏虫-15%，飞蝗-21%)，硅处理进一步加剧这种效应(黏虫-28%，飞蝗-43%)。SEM分析揭示出防御策略的分化：原产地种群依赖JA介导的质量型(类黄酮)与数量型(单宁)化学防御协同作用，而中国种群则转向硅强化的数量型防御(单宁)或结构防御(SLA)。

纬度梯度上的资源分配
高纬度中国种群表现出"保守策略"——硅添加引发C:N比更大增幅(+8% vs 低纬度+3%)，反映其对氮素利用的优化；而低纬度种群则发展出"激进策略"，优先提升硅积累效率。这种分化可能源于中国沿海从北至南的温度与降水梯度导致的硅有效性差异，但更可能是入侵后快速进化的结果。

这项研究首次证实入侵植物可通过硅代谢重构防御策略，挑战了传统认为入侵植物会降低防御投入的假说。发现的三点突破在于：(1)揭示硅作为"类金属防御"元素在生物入侵中的关键作用；(2)阐明纬度梯度驱动的防御策略分化；(3)提出"硅-碳协同防御"新机制。这些发现为预测入侵植物适应性进化提供了新维度，对开发基于硅调控的入侵治理技术具有启示意义。随着全球气候变化加剧元素循环，理解植物如何利用环境元素构建防御网络，将成为生态学与入侵生物学交叉研究的前沿方向。