多形苜蓿（Medicago polymorpha）草食防御响应中的快速进化证据：防御权衡的保守性与适应性演化

本综述系统探讨了入侵植物多形苜蓿（Medicago polymorpha）在草食压力下的快速进化机制及其防御策略的适应性转变。研究通过比较原生区与入侵区种群，揭示了组成型防御（constitutive defense）与诱导型防御（induced defense）之间存在保守的负权衡关系，同时验证了“防御策略转移假说（SDH）”的预测。该工作为理解入侵植物的进化动力学及植物-昆虫互作提供了重要实验依据，对生态适应性与生物入侵防控具有深远意义。

　　

引言

生物入侵为研究植物在新生境中的快速进化适应提供了天然实验场景。当植物被引入到新的栖息地时，它们常面临与原生地不同的生物和非生物胁迫，从而驱动其发生快速演化变化。这些变化可能源于新颖的草食者压力、病原体压力或水分、盐分等非生物因子的改变。在新生境中，植物缺乏在原生地通过长期共进化所获得的适应性优势，这种缺乏熟悉共生物种的状态与新颖的种间互作共同构成了独特的自然选择压力。

植物与昆虫之间复杂的互作关系在快速进化研究中尤为引人关注。入侵过程中产生的新选择压力可能触发植物重新分配资源，例如调整其抗草食性防御策略。有研究表明，普通月见草（Oenothera biennis）在仅经过5年农药处理后便表现出化学防御物质的减少。类似地，昆虫种群在环境剧变后几年内也常显示出快速进化响应，其进化速度有时甚至超过植物。

在解释入侵种群面对新颖捕食者压力时的适应性机制方面，目前存在多个理论框架。其中，“天敌释放假说（Enemy Release Hypothesis, ERH）”认为，引入植物在新环境中遭受的草食者和病原体调控较原生地更弱，从而因减少组织损失和防御资源投入而获得生态优势。然而，ERH主要关注引入后的即时生态效益，并未直接阐述植物种群随时间适应新草食者群落所发生的进化变化。

与之互补的是“防御策略转移假说（Shifting Defense Hypothesis, SDH）”，该假说聚焦于适应性进化变化。SDH提出，原生区植物由于与草食者存在长期共进化历史，已演化出高成本的本底防御（即组成型防御）以威慑这些熟悉的天敌。相比之下，植物可通过诱导防御响应以在草食者出现时节约资源。当植物入侵新区后，通常缺乏能有效克服共进化宿主防御的特化草食者，而广谱性草食者成为主要捕食压力。因此，入侵种群可能演化出更依赖诱导防御的策略以应对新的天敌组成。

尽管SDH具有理论吸引力，其实证支持并不一致。有些研究报告入侵种群并未出现预期的防御策略转变，甚至未检测到明显的变化方向，说明其预测力可能存在系统差异。

本研究以一年生豆科植物多形苜蓿（Medicago polymorpha）为模型系统，检验SDH在历史入侵场景中的预测效力。该物种原生于地中海地区，约500年前随欧洲殖民者传入美洲，在北美和南美均形成稳定入侵种群。其入侵历史为研究植物与当地草食者的协同进化提供了良好背景。先前研究已发现，多形苜蓿在入侵区内表现出开花时间、叶片表型、繁殖力及地下能量投资等方面的快速进化迹象。

方法

实验选取来自多形苜蓿原生区（地中海地区）和入侵区（美洲）的多个基因型，在严格控制的环境条件下进行培养。植物在22°C/20°C（昼/夜）、50%相对湿度、16小时光周期及300 μmol/m²/s光强下生长8周。种子经砂纸划伤处理后播种，接种根瘤菌株Ensifer medicae和E. meliloti，并定期施肥与浇水。

研究选用两种不同食性范围的昆虫幼虫作为草食压力测试对象：广食性的大豆尺蠖（Soybean Looper, Chrysodeixis includens）和相对特化的 velvetbean 毛虫（Anticarsia gemmatalis），后者主要取食豆科植物。所有幼虫在使用前饲以人工饲料，并在密闭培养皿中进行偏好实验。

防御诱导通过模拟草食处理实现：使用昆虫头部匀浆液处理叶片，并于0小时和24小时后分别采集组织样本。生化分析包括总蛋白含量测定（采用BCA法）、过氧化物酶（POD）和多酚氧化酶（PPO）活性检测，这些酶在植物防御反应中迅速上调，参与防御化合物的合成。

草食偏好实验分为三个部分：组成型组织范围偏好测试、诱导型组织范围偏好测试以及范围内组成型与诱导防御偏好比较。每次实验记录叶片鲜重变化，以计算取食比例。

数据分析采用R语言进行，使用广义线性混合效应模型（GLMM）处理偏好数据，线性混合模型（LMM）处理生化数据，并运用相关分析和贸易-off评估探究防御策略的内在约束。

结果

草食偏好实验表明，在未诱导防御的情况下，入侵基因型比原生基因型更不受草食者偏好。整体上，草食者对入侵组织与原生组织的偏好存在显著差异（p < 0.001），这一效应主要由Velvetbean毛虫驱动，其表现出对原生区组织的强烈偏好（p < 0.001），而大豆尺蠖未显示明显组织偏好（p = 0.41）。一旦防御被诱导，Velvetbean的偏好消失（p = 0.96），而大豆尺蠖则表现出对入侵区组织的轻微偏好（p = 0.045）。与组成型偏好测试不同，防御诱导后两种草食者的取食行为出现整体差异（p < 0.001），Velvetbean毛虫对两区的取食量均减少。

当草食者面临组成型防御与草食诱导防御组织之间的选择时，两者均更偏好入侵区基因型的组成型组织（仅Velvetbean达到显著水平，p = 0.006）。有趣的是，在原生区情况相反，两种草食者均显著偏好诱导型组织（p < 0.001），其中Velvetbean的效应更强（p < 0.001）。

生化测定显示，原生区与入侵区基因型在防御状态下的总蛋白产量存在差异（p < 0.001），两者在诱导后蛋白浓度均下降（p < 0.001）。诱导后总蛋白含量变化的幅度在区间间也存在差异（p = 0.002），这与之前观察到的草食偏好变化一致。尽管POD和PPO在诱导后活性均上升（p < 0.001），但未检测到显著的区间差异，不过POD诱导幅度（p = 0.072）和组成型PPO水平（p = 0.078）显示出边际性的区间效应。

更重要的是，所有三个测定指标均显示组成型表达与诱导性之间存在负相关关系，表明一种保守的权衡机制。总蛋白（τ = -0.560）、POD（τ = -0.219）和PPO（τ = -0.497）的权衡关系在原生区和入侵区均高度显著（p < 0.001），说明基因型在基础防御上的高投资会限制其受到威胁时的防御提升能力。这种权衡在区间间无显著差异，表明其可能是跨种群的基本生理约束。

讨论

多形苜蓿入侵后的草食防御进化动态为理解新颖选择压力下的快速适应提供了契机。本研究结果部分支持SDH预测：入侵种群在对抗测试草食者时表现出更有效的组成型防御，且诱导防御的有效性也发生分化，表明选择压力驱动了防御策略的复杂变化。

研究发现，草食者对熟悉入侵组织与陌生原生组织的偏好差异，以及诱导后的偏好反转，表明入侵区种群在约500年的共处时间内已发生适应演化。这一结果强调，SDH预测需考虑入侵时间和植物-草食者共现的历史时长，长期建立的入侵可能涉及重要的次级协同进化关系。

与Jack和Friesen（2019）先前研究相比，本实验虽发现相同的方向性趋势，但统计显著性存在差异，可能源于基因型集合、植物生长阶段及培养条件的不同。

生化分析表明，入侵基因型在组成状态下保持较高的蛋白质含量，且在诱导后下降更为明显，说明其可能将更多蛋白质资源重新分配至防御机制。尽管POD和PPO活性未显示显著的区间差异，但其边际趋势与草食偏好结果一致，暗示可能的酶亚型丰度差异或检测时间点未能捕捉峰值活性。

最值得注意的发现是组成型防御与诱导力之间存在高度保守的负权衡关系，表明这是一种基本的分配约束，而非SDH的直接预测内容。该约束可能源于同时维持高两种防御类型的资源成本，从而推动选择压力倾向于高效分配策略。

总体而言，多形苜蓿入侵种群似乎进化出优化其组成型防御对抗本地草食者的能力，同时保持诱导响应潜力。这种防御策略的调整更好地符合SDH而非ERH，表明该物种在引入美洲后可能最初受益于天敌释放，但随后的世代经历了针对优化防御分配的选择。这种从生态优势到进化适应的时序进程可能促进了多形苜蓿在美洲的成功定殖与扩散。

本研究结果强调，入侵植物防御策略的快速进化不仅增强其竞争力，还可能改变被入侵生态系统的种间互作，引发生物群落组成和生态系统功能的转变。未来的研究可进一步通过实地草食率测量、生长-防御权衡量化以及资源分配模式分析，更直接地检验ERH和SDH的理论预测。