颤杨（*Populus tremuloides*）沿纬度梯度在直接与间接防御上的分化投资

《Ecosphere》：Divergent investment in direct versus indirect defense in Populus tremuloides across a latitudinal gradient

　　

理论预测，植物针对食草动物的防御在靠近赤道处应最强，因为那里食草动物群落数量更多、多样性更高，选择压力更强；然而近期研究表明植物防御的变异更为复杂，预测不同防御类型间的投资模式及潜在环境驱动因子存在分化。为弥补以往研究的空白，研究人员在同一物种中测量了多种防御类型，并同时考虑了假设驱动纬度梯度的生物和非生物变量。以颤杨（*Populus tremuloides*）为研究对象，研究人员将生物互作与防御性状的野外调查、气候数据以及跨大陆尺度纬度梯度的植物化学代谢组学分析相结合。尽管某些防御投资指标在低纬度更高，但研究人员发现，防御性状变异的潜在环境变量因防御类型而异，其中直接防御（即化学防御）沿降水梯度降低，而间接防御（即花外蜜腺，extrafloral nectaries, EFNs）随温度和生长季长度增加而增加。纳入捕食和食草压力的代理指标进一步表明，防御性状的变异受生物与非生物变量共同驱动。总之，研究结果强化了以下认识：即使在单一物种内，不同防御策略也可能与纬度梯度上的不同环境变量相关，这与塑造防御空间变异的复杂选择机制相一致。这些结果说明了在检验经典植物防御假说时，考虑全部防御策略和环境压力的重要性。

**颤杨（*Populus tremuloides*）沿纬度梯度在直接与间接防御上的分化投资：环境驱动因子与植物防御策略的复杂性**

植物与食草动物的互作强度通常被认为在低纬度更高，基于此，Dobzhansky（1950）提出的纬度生物互作假说（Latitudinal Biotic Interactions Hypothesis, LBIH）预测，越靠近赤道，植物对防御性状的投资应越大。然而，实证证据并不一致，许多研究发现防御投资与纬度呈正相关、负相关或无相关。Anstett等人（2016）总结指出，现有研究数量有限且方法差异大，难以得出强结论，并呼吁在单一物种内同时评估多种防御类型，并明确量化潜在的环境驱动因子。为此，本研究选择颤杨（*Populus tremuloides*）作为对象，沿北美西部大陆尺度纬度梯度，同时测量直接防御（化学防御）和间接防御（花外蜜腺，extrafloral nectaries, EFNs），并整合气候数据和生物互作数据，以检验LBIH并探索防御类型间是否存在分化投资模式。

研究人员在7个地点（跨越约16°纬度）调查了280棵颤杨，记录了食草损伤、模拟幼虫的捕食率、EFN数量，并采集叶片进行非靶向代谢组学分析。结果显示，某些化学防御指标（如化合物丰富度、水杨苷丰度）在低纬度更高，符合LBIH；但EFN丰度仅在校正海拔后才表现出低纬度增加。更重要的是，直接防御和间接防御与环境变量的关联不同：化学防御投资随降水增加而下降，而EFN丰度随温度和生长季长度增加而上升。捕食压力代理与化学防御呈正相关，但与EFN无关。研究未发现直接与间接防御之间的权衡，而是发现它们分别响应不同的环境梯度。模型比较表明，气候变量是防御投资的最强预测因子，而生物互作预测因子拟合最差，提示非生物环境在塑造纬度防御格局中可能起主导作用。这些发现凸显了在单一物种内不同防御策略的复杂选择机制，支持在检验经典假说时应考虑多种防御类型和环境压力的重要性。

研究样本来自美国西部洛基山脉7个国家森林地点（Coronado、Coconino、Dixie、Uinta-Wasatch-Cache、Caribou-Targhee、Beaverhead-Deerlodge、Flathead），共280棵成年颤杨（每点10个克隆×4个分株）。野外调查统计叶片食草百分比和粘土幼虫模型的捕食率，计数每分株叶柄处EFN总数。叶片经干燥提取后，采用超高效液相色谱-质谱联用（UPLC-MS）进行非靶向代谢组学分析，使用xcms聚类峰，SIRIUS/CANOPUS注释化合物类别，GNPS计算结构相似性；并定量已知水杨苷（salicortin、tremulacin）。气候数据（降水、温度、生长度日）来自Daymet（1980–2022）。统计分析使用广义线性混合模型（GLMM）、PERMANOVA/PERMDISP、AIC比较等。

**纬度**：研究发现化合物丰富度（p = 0.046）和salicortin丰度（p = 0.010）随纬度降低而增加，总化学丰度呈边缘性负相关（p = 0.088），符合LBIH。但化学防御物质占样本质量的百分比呈边缘性随纬度增加（p = 0.095），且化学结构距离在中纬度最高。EFN丰度单独与纬度无相关，但校正海拔后与纬度负相关（p = 0.039），即低纬度EFN更多。

**生物相互作用**：食草率在高纬度显著更高（p < 0.001），与LBIH预期相反；校正海拔后关系反转（p = 0.036）。食草率与salicortin丰度（p = 0.080）和EFN数量（p = 0.095）呈边缘正相关。模拟幼虫的捕食攻击率随纬度无显著变化，但与总化学丰度（p = 0.002）、化合物丰富度（p = 0.066）和防御质量百分比（p = 0.063）呈正相关；EFN丰度与捕食攻击率无关。

**气候**：EFN数量随生长度日（p = 0.061）和年平均温度（p = 0.037）增加而增加，但与降水无关。降水与多个化学防御指标负相关：化合物丰富度（p < 0.001）、总化学丰度（p < 0.001）、Shannon-Wiener多样性（p = 0.003）、salicortin（p = 0.045）和tremulacin（p = 0.002）均随降水增加而降低。温度与化学防御无显著相关。

**防御权衡**：EFN丰度与任何化学防御指标之间均无显著关系，不支持直接与间接防御之间的权衡。

**模型拟合**：AIC权重显示气候变量是除化学均匀度和EFN丰度外所有防御指标的最强预测因子，EFN丰度的最佳模型是海拔校正纬度；纬度单独排名低于气候变量，生物预测因子拟合最差。

讨论部分指出，化学防御与降水的负相关支持资源可利用性假说（Resource Availability Hypothesis, RAH），即低资源环境下植物投资更多防御；EFN与温度正相关可能由于较长生长季支持持久性物理防御。生物互作代理未支持LBIH的食草压力随纬度下降预期，可能因防御本身干扰了食草率估计。模型结果显示非生物环境比生物互作更重要，这可能因为颤杨主要分布在温带，缺乏热带条件。结论：本研究对颤杨多种防御策略及环境变异提供了稳健评估；多种防御投资指标在低纬度更高，符合LBIH，但部分指标与预测相悖；直接和间接防御与不同的气候变量相关；非生物环境在塑造防御投资中主导生物互作，为观察到的纬度模式提供了潜在机制；研究强调在检验经典假说时需要考虑复杂背景。