广泛的真菌兼容性和种子大小可能促进两种亚洲陆生兰科植物 Spathoglottis plicata 和 Arundina graminifolia 的入侵性

《Ecology and Evolution》：Broad Fungal Compatibility and Seed Size May Facilitate Invasiveness in Two Asian Terrestrial Orchids Spathoglottis plicata and Arundina graminifolia

　　

两种亚洲兰科植物，即竹兰（Arundina graminifolia）和菲律宾地兰（Spathoglottis plicata），正在向中南美洲、太平洋和非洲扩张。在此，研究人员检测了种子性状和对菌根真菌的低体外（in vitro）选择性是否可能有助于它们在原生范围外的成功扩散。研究人员检测了种子大小和储备物，以及来自不同地理区域的兰科菌根真菌的非共生（asymbiotic）和共生（symbiotic）萌发情况。两种物种的种子均相对较大，其中A. graminifolia的种子在兰科植物中属于最大之列。种子含有脂质、蛋白质以及低水平的可溶性糖类和淀粉。尽管有这些储备，两种兰科植物最初均为菌根异养型（mycoheterotrophic），需要在早期发育中获得外部碳源。在非共生培养中，两种物种在含蔗糖的培养基上均表现出高萌发率，最大萌发率超过95%。在共生培养中，两种物种均与来自不同大陆的Tulasnellaceae分离株形成原球茎（protocorms），包括来自相距超过9000?km地点的分离株。这一能力在S. plicata中更为广泛。研究人员的实验结果表明，S. plicata在原生范围外的成功可能得益于对Tulasnellaceae的广泛兼容性（其中一些菌株具有全球分布），以及部分的自花授粉。在A. graminifolia中，相对较大的种子可能为早期发育提供了更大的内部储备，但该物种似乎对某些特定的Tulasnellaceae谱系更具专一性，并且仍然依赖传粉者。结合其定殖受干扰生境的能力，这些性状可能有助于解释这两种兰科植物在原生范围外的成功扩散。

**研究背景与目的**
外来物种在进入新环境后可能消亡、归化或成为成功入侵者，其中生物入侵是全球生物多样性的主要威胁之一，尤其是对海岛生态系统。兰科植物通常被视为稀有且生态敏感，因其种子极小且依赖真菌提供早期发育所需的碳源，即初始菌根异养（initial mycoheterotrophy）。然而，约90种兰科植物（约占兰科多样性的0.3%）被认为具有杂草性或入侵性。竹兰（Arundina graminifolia）和菲律宾地兰（Spathoglottis plicata）原产于东南亚，因其观赏价值被引种至新地区，并快速扩散至南美、中美洲、非洲、马斯克林群岛、加勒比群岛和夏威夷等地。先前研究推测其成功可能与对菌根真菌的广谱兼容性、较大的种子、高萌发率以及适应干扰生境的能力有关。但目前尚不清楚这些入侵性兰科植物能否利用新定殖区域的共生真菌库。基于此，研究人员主要探究了以下问题：（1）成熟种子是否含有异常多的储存化合物，从而增强不依赖真菌的萌发能力？（2）种子是否必须依赖菌根真菌才能萌发并生长为幼苗？（3）哪些碳源可被用于萌发？（4）它们是否与来自不同地理来源的菌根真菌具有相似的萌发能力？如果存在不同大陆的种子，它们是否与本地真菌的萌发表现相同？该研究旨在识别驱动这些物种在原生范围外扩张的关键因子。该论文发表在《Ecology and Evolution》。

**主要技术方法**（不超过250字）
种子样本采集自留尼汪岛（法国，印度洋）和哥伦比亚（南美洲），均为成熟种子。真菌分离株来自留尼汪岛和欧洲（波兰、捷克）的兰科植物根系，主要为Tulasnellaceae、Ceratobasidiaceae和Serendipitaceae。研究方法包括：（1）种子形态测量和组织化学检测（苏丹红7B检测脂质、卢戈氏碘液检测淀粉、丽春红2R检测蛋白质）及扫描电镜观察；（2）高效液相色谱（HPLC）定量可溶性糖和淀粉；（3）非共生萌发实验，在含不同碳源（蔗糖、氨基酸、无碳源）的培养基上培养；（4）共生萌发实验，在燕麦琼脂（OMA）培养基上接种来自不同地理区域的18个真菌分离株；（5）对Tulasnellaceae进行ITS系统发育分析（最大似然法）。所有培养均在28°C黑暗条件下进行3个月，定期观测萌发率和原球茎大小。

**研究结果**
**3.1 种子和胚胎的形态特征**
通过扫描电镜和组织切片测量，A. graminifolia的完整种子长度为1.62±0.16 mm，宽度为0.16±0.01 mm；S. plicata种子长度为0.81±0.13 mm，宽度为0.15±0.02 mm。A. graminifolia的胚胎呈卵形，长0.37±0.03 mm，宽0.12±0.01 mm；S. plicata的胚胎呈球形，长0.20±0.01 mm，宽0.10±0.01 mm。种子重量分别为3.00 μg和1.35 μg。这些数据表明两者均属于兰科中较大种子的类别。

**3.2 成熟种子中的储存化合物**
组织化学染色显示两种成熟的胚胎中均存在蛋白质和脂质，但未检测到淀粉。通过高灵敏度的HPLC分析，A. graminifolia干种子中可溶性糖（主要是蔗糖）平均为77 μg/mg，淀粉为20 μg/mg；S. plicata中可溶性糖为45 μg/mg，淀粉为8 μg/mg。这表明A. graminifolia的总储备物约为S. plicata的两倍。

**3.3 不同碳源下的非共生萌发与生长**
两种物种在含蔗糖的培养基（BMs和BMfull）上萌发率最高，均超过95%。单独含氨基酸的培养基（BMaa）萌发率显著降低，无碳源培养基（BM?）几乎不能形成原球茎。添加过量氨基酸（BMaa+）导致种子变黑死亡。最大原球茎直径在BMs培养基上最大，但BMs上根毛稀少；BMfull上根毛丰富。两种物种在播种后30–50天长出绿色芽，可能已开始光合自养。

**3.4 Tulasnellaceae的系统发育分析**
基于ITS序列的最大似然树恢复了两个主要谱系：基底Tulasnellaceae和核心Tulasnella。本实验所用分离株属于基底Tulasnellaceae、核心Tulasnella的clade II以及一个未正式描述的可能clade VI。来自留尼汪的分离株主要属于clade II。

**3.5 与不同区域真菌的共生萌发与生长**
在不接种真菌的OMA对照中，两种物种几乎不形成原球茎。两种物种均能与大多数Tulasnellaceae分离株形成原球茎（约35%–90%），但A. graminifolia不能与分离株tul_Rf2形成原球茎。然而，A. graminifolia与基底Tulasnellaceae（tul_CZ1、tul_CZ11、tul_CZ15）及clade II的tul_CZ5形成的原球茎率低于10%，与未接种对照无显著差异。S. plicata与tul_CZ5、tul_CZ11、tul_CZ15的原球茎率也低于10%，但与基底Tulasnellaceae的tul_CZ1形成约30%原球茎。来自留尼汪的热带Tulasnella分离株支持的原球茎形成率（40%–90%）普遍高于欧洲温带分离株。Ceratobasidiaceae和Serendipitaceae分离株基本不支持原球茎形成，仅A. graminifolia与一个Ceratobasidium分离株（PL13a）形成极少量小原球茎。种子破裂但未形成原球茎的现象在更多真菌处理中出现。

**3.6 不同地理来源的A. graminifolia种子的共生萌发**
来自哥伦比亚和留尼汪的A. graminifolia种子在与留尼汪的6个Tulasnella分离株共培养时，萌发百分比相似。其中5个clade II分离株支持不同程度的萌发，而tul_Rf2（clade VI）不支持任何来源种子的萌发。唯一显示差异（但未达统计显著）的是tul_R_215，两地种子萌发率约为一半。

**讨论与结论**
讨论部分指出，两种兰科植物的成功扩散不仅依赖于对Tulasnellaceae的广泛兼容性（尤其是S. plicata能与系统发育较远的类群结合），还与种子较大（A. graminifolia胚胎接近兰科中最大）提供了更多内部储备、高萌发率（超过95%）以及高效传粉（S. plicata可自花授粉，A. graminifolia依赖广谱传粉者）等因素有关。在干扰生境（如路边、火山熔岩流）中的定殖能力进一步增强了其入侵潜力。与已报道的其他入侵性兰科植物一致，两者能够利用来自远距离大陆（相距9000–10000 km）的真菌形成共生关系。

研究结论翻译：研究人员得出结论，两种物种（尤其是S. plicata）的成功可能得益于其能与广泛的Tulasnellaceae分离株形成原球茎，包括来自远距离大陆的分离株。这一点在S. plicata中尤为突出，它还能与Tulasnellaceae内系统发育较远的类群结合。相反，A. graminifolia对异源Tulasnellaceae的泛化程度较低，需要单一类群（clade II）的共生体。然而，A. graminifolia的种子稍大且较重，其胚胎是兰科中最大的之一，可能弥补了较低的真菌泛化性。此外，两种物种在生境偏好和传粉者互动方面均表现出高度的生态泛化性，S. plicata还能成功自花授粉。总体而言，研究揭示了两种策略不同的兰科入侵背后可能存在的多样化机制。