合作性较低的地下植物互惠共生体对地上植食性昆虫的生长与存活产生负面影响

《Oecologia》：Less cooperative belowground plant mutualists negatively affect aboveground herbivore growth and survival

　　

资源互惠共生体（如固氮（N）根瘤菌）能够提高可供更高营养级利用的植物质量，尤其是对昆虫植食性动物等初级消费者而言。然而，互惠共生体的质量存在显著变异。这种互惠共生体质量变异如何影响更高营养级（如植食性动物）尚不清楚，因为高质量的资源互惠共生体可能同时增加叶片养分含量（这应促进植食性动物生长）和植物化学防御（预期对植食性动物产生负面影响）。研究人员评估了不同互惠共生体质量的根瘤菌菌株对一种广食性昆虫植食性动物——甜菜夜蛾（Spodoptera exigua）——在杂种车轴草（Trifolium hybridum）上饲养时的存活与发育的影响。研究人员用合作性（“高质量”）和合作性较低（“低质量”）的根瘤菌菌株接种T. hybridum，测量了植物生长、养分和代谢物，并将叶片饲喂给S. exigua。研究人员发现，与低质量菌株相比，高质量根瘤菌菌株显著提高了S. exigua的存活率，但也延长了发育时间。此外，一些发育性状（如蛹重和成虫翅面积）在高质量处理中有所增加。接种不同质量的菌株影响了T. hybridum的营养和植物化学特性，表明这两者都可能介导植食性动物对互惠共生体质量的响应。根瘤菌遗传变异对植食性动物的影响超过了单独施用氮肥的效果：与取食高质量共生体叶片的毛虫相比，取食未接种但施肥植物叶片的S. exigua存活率降低，这意味着生态系统中的氮沉降可能无法完全替代根瘤菌为更高营养级提供的益处。

**论文解读：根瘤菌互惠共生质量变异对地上植食性昆虫的级联效应**

**研究背景与问题**
植物与土壤微生物的互作对自然生态系统中植物群落和动物群落的结构具有重要影响。微生物互惠共生体（尤其是帮助植物获取资源的类群）可通过改变植物群落组成或直接改变宿主植物质量，进而影响更高营养级（如昆虫植食性动物）。其中，根瘤菌（Rhizobium）能够为豆科植物提供生物可利用的氮（N），从而影响植物生物量、营养和防御能力。然而，根瘤菌存在菌株间的质量差异，从高度合作到低度合作甚至剥削性菌株不等。已有研究多关注根瘤菌存在与否对植食性昆虫的影响，但互惠共生体质量变异如何影响昆虫的存活与发育尚未明确。高质量资源互惠共生体可能同时提升叶片养分含量（利于昆虫生长）和植物化学防御（不利于昆虫），因此其净效应难以预测。为此，研究人员利用不同质量的根瘤菌菌株，系统检验了互惠共生体遗传变异对广食性昆虫甜菜夜蛾（Spodoptera exigua）的存活和发育的影响，并比较了其与单独施用氮肥的效应差异。

**研究内容与意义**
研究人员选取来自美国密歇根州凯洛格生物站长期生态研究站点（Kellogg Biological Station LTER）分离的6株根瘤菌（Rhizobium leguminosarum），依据其与三叶草共生时的生长效应划分为3株“高质量”和3株“低质量”菌株，以杂种车轴草（Trifolium hybridum）为宿主植物进行温室接种实验。同时设置未接种施肥（N-addition）和未接种不施肥的对照。随后将甜菜夜蛾幼虫分别饲喂各处理组叶片，监测其存活、发育时间、蛹重、成虫翅面积等指标，并结合植物生长、营养（叶绿素、可溶性蛋白、可消化碳水化合物）及代谢组学数据，探究植物性状与昆虫响应的关系。研究发现，高质量根瘤菌菌株显著提高了甜菜夜蛾的存活率，但也延长了发育时间；部分发育性状（蛹重、成虫翅面积）在高质量处理中增加。根瘤菌遗传变异对昆虫的影响超过了单施氮肥，且这种效应与植物营养和次生代谢物的变化密切相关。该研究揭示了地下微生物互惠共生体的遗传变异可跨营养级传递，并强调了合成氮肥无法完全替代高质量根瘤菌对更高营养级的功能贡献。论文发表于《Oecologia》。

**主要关键技术方法**
研究采用温室完全随机区组设计，共8个处理（6个根瘤菌菌株、N添加、未接种对照），3个区组，总计288盆，另为低生长处理增设36盆补充。根瘤菌菌株来源自Weese et al. (2015)的菌株库；甜菜夜蛾卵购自Benzon Research；种子购自Ernst Conservation Seeds。植物叶绿素含量用SPAD-502叶绿素计测定，株高直接测量。叶片可溶性蛋白采用Bradford法测定，可消化碳水化合物采用比色法测定。代谢组学分析包括靶向植物激素（茉莉酸、水杨酸、脱落酸、12-OPDA）的超高效液相色谱-串联质谱（UHPLC-MS/MS）和非靶向液相色谱-质谱（LC-MS）分析，数据经MS-DIAL处理，并采用主成分分析（PCA）和PERMANOVA进行多变量统计。昆虫存活数据用Cox比例风险回归分析，发育性状用方差分析（ANOVA）。

**研究结果**

*植食性昆虫的存活与发育*
通过240头甜菜夜蛾幼虫的饲养实验，Cox回归显示处理对存活率有极显著影响（Wald χ2=172.28, df=7, p<0.001）。高质量菌株处理组幼虫存活率最高，低质量菌株LQ699和未接种未施肥对照组全部死亡。N添加处理组的存活率显著低于所有高质量菌株处理组。发育性状方面，处理显著影响3–5龄幼虫体重（如5龄：F_7,22=2.5, p=0.02）、蛹重（F_5,24=4.02, p=0.003）和成虫干重（F_5,24=3.56, p=0.008），其中HQ461处理组蛹重和翅面积最大。但处理间发育时间（从孵化到羽化）和成虫干重无显著差异，且所有成功化蛹的个体均能羽化。

*植物生长与代谢物*
叶绿素含量和株高在处理间差异显著（叶绿素：F_5,30=32.63, p<0.001；株高：F_7,29=62.05, p<0.001），高质量菌株和施肥处理植物的叶绿素含量和株高较高。植物营养PCA中，高质量菌株处理与低质量菌株、施肥处理及对照沿第一主成分（Growth Dim1）分离，高质量处理具有较高的蛋白质含量、叶绿素含量和株高。植物代谢物PCA中，低质量与高质量菌株沿Metabolite Dim1明显分离；PERMANOVA显示处理间代谢组差异显著（F_6,26=4.596, R2=0.515, p<0.001），但经Bonferroni校正后不显著。靶向分析的四种植物激素（茉莉酸、水杨酸、脱落酸和12-OPDA）因低方差在PCA前被筛除，处理间无差异。

*植食性昆虫对植物测量的响应*
线性回归显示，植物营养PCA的Growth Dim1和代谢物PCA的Metabolite Dim1均与甜菜夜蛾存活率显著正相关（Growth: R2=0.69, p=0.007；Metabolite: R2=0.64, p=0.02），也与发育时间显著正相关（Growth: R2=0.84, p=0.006；Metabolite: R2=0.62, p=0.039），但与其他发育指标无关。此外，两个维度之间也显著正相关（R2=0.63, p=0.021）。

**讨论与结论**
讨论指出，根瘤菌遗传变异通过影响植物氮可利用性，进而改变植物营养和次生代谢物，最终介导昆虫的存活和发育响应。高质量菌株处理的植物营养更优，但代谢组中防御相关化合物（如葫芦巴碱、瑞香素、核糖酸）也发生改变，可能导致昆虫发育时间延长，表明存在营养收益与防御代价之间的权衡。氮肥处理虽然使植物叶绿素含量与高质量处理相似，但其碳水化合物与蛋白质比例较高，可能造成昆虫营养压力，导致存活率降低。研究人员认为，高质量根瘤菌对植食性昆虫的积极影响主要来自植物整体营养质量的提升，而防御化合物可能延缓发育却未显著降低体重；在实际生态中，发育时间延长可能增加天敌攻击风险（即“慢生长-高死亡”假说）。

结论部分可翻译为：总体而言，这项基于实验室的研究表明，根瘤菌的变异能够级联影响更高营养级。虽然这些发现可能无法直接推广到田间，但它们扩展了群落遗传学领域的研究——该领域此前已证明植物遗传变异影响植食性动物和捕食者群落——通过展示地下微生物共生体的遗传变异能够影响植物表型（即根瘤菌的“扩展表型”），进而影响更高营养级。值得注意的是，高质量根瘤菌的效应并不仅仅源于氮可利用性的提高，因为合成肥料对植食性动物存活和生长的益处无法达到同等程度。相反，高质量根瘤菌似乎对植物营养和代谢物产生了不同于合成氮肥的效应，导致根瘤菌对更高营养级的影响无法被合成肥料所复制。