熱帶地區(qū)的生物多樣性為何如此豐富？長期以來，這個趣味十足的謎題吸引了全世界生態(tài)學(xué)家和生物學(xué)家廣泛關(guān)注。
近日，中國科學(xué)院西雙版納熱帶植物園(以下簡稱“版納植物園”)森林生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、功能與動態(tài)研究組和美國圣母大學(xué)等機(jī)構(gòu)的研究團(tuán)隊針對這一謎題展開合作研究，取得重要成果。研究人員發(fā)現(xiàn)，熱帶地區(qū)豐富的生物多樣性與樹木葉片的化學(xué)物質(zhì)多樣性，以及植食性昆蟲選擇壓力有密切關(guān)系。這一研究成果發(fā)表于國際學(xué)術(shù)期刊《自然·生態(tài)與演化》。
研究生物相互作用
一般來說，相較于高緯度溫帶地區(qū)，低緯度熱帶地區(qū)擁有更多物種數(shù)量，尤其是樹木種類更為豐富。樹種豐富度呈現(xiàn)隨緯度降低而單調(diào)遞增的趨勢。
因此，在植物生態(tài)學(xué)和演化生物學(xué)界存在一個提出已久但未得到充分驗(yàn)證的假說，即熱帶地區(qū)生物間的相互作用在產(chǎn)生和維護(hù)物種多樣性方面，起到了比溫帶地區(qū)更為重要的作用。
“這一假說的核心預(yù)測是，與溫帶植物相比，熱帶植物承受著更大的食草動物壓力，在群落內(nèi)和群落間具有更高的植物化學(xué)物質(zhì)多樣性。用通俗易懂的話來說，因?yàn)闊釒е参锩媾R被食草動物啃食的更大風(fēng)險，為了適應(yīng)生存環(huán)境演化出更多種類。”論文通訊作者、版納植物園研究員楊潔解釋，想驗(yàn)證這個假說，首先要研究清楚植物群落中植物化學(xué)物質(zhì)多樣性與食草動物選擇壓力的關(guān)系。然而，長期以來，這方面的研究較少。
“盡管我們對生物相互作用在塑造生物多樣性緯度梯度分布格局上的重要性有了一定認(rèn)識，但許多基礎(chǔ)理論預(yù)測仍待驗(yàn)證?！闭撐牡谝蛔髡?，版納植物園森林生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、功能與動態(tài)研究組已出站博士后孫露介紹。
在熱帶地區(qū)，植食性昆蟲的種類和數(shù)量很多，只取食特定類群植物的專食性昆蟲比例也就相對較高。因此，在熱帶地區(qū)，諸多植物面臨著植食性昆蟲啃食的更大壓力。
那么，熱帶地區(qū)的樹種是否會因此產(chǎn)出結(jié)構(gòu)各異的代謝產(chǎn)物？這些代謝產(chǎn)物是否會在森林內(nèi)部和各區(qū)域間形成更多樣化的分布？同時，在外部環(huán)境因素影響下，植物體內(nèi)的代謝產(chǎn)物，是否會迅速演變？其演變是否具有極高不穩(wěn)定性？對這些問題，版納植物園森林生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、功能與動態(tài)研究組致力于通過新的研究手段尋找答案。
解析生態(tài)適應(yīng)策略
版納植物園森林生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、功能與動態(tài)研究組牽頭，跨越西雙版納熱帶、哀牢山亞熱帶和玉龍雪山亞高山溫帶三大地理區(qū)域，建立了云南省跨氣候帶海拔梯度森林樣方研究平臺。
楊潔帶領(lǐng)的團(tuán)隊，在該研究平臺的基礎(chǔ)上，利用非靶向代謝組學(xué)技術(shù)測定樹種葉片代謝產(chǎn)物組成，通過比較代謝組學(xué)、多樣性指數(shù)、系統(tǒng)發(fā)育比較分析等方法，組織開展群落水平上樹種化學(xué)物質(zhì)多樣性沿環(huán)境梯度的分布規(guī)律研究。
研究團(tuán)隊還在3個不同海拔、氣候類型的區(qū)域，劃出相同面積的森林群落樣方，探究樹種葉片化學(xué)物質(zhì)多樣性空間分布格局及其與植食性昆蟲選擇壓力的相關(guān)性。
“我們發(fā)現(xiàn)，熱帶、亞熱帶和亞高山溫帶3個氣候區(qū)域的樹種葉片，在代謝產(chǎn)物組成上存在顯著差異?！睏顫嵳f，熱帶區(qū)域的樹種葉片化學(xué)生態(tài)位空間明顯高于亞熱帶和亞高山地區(qū)?；瘜W(xué)生態(tài)位空間像是每個物種在自然界中的“化學(xué)身份證”和“生活空間”的結(jié)合體?；瘜W(xué)生態(tài)位空間越高意味著一個物種在生態(tài)系統(tǒng)中具有更高的化學(xué)多樣性、更強(qiáng)的資源利用能力、更大的生存機(jī)會。研究發(fā)現(xiàn)，熱帶地區(qū)樣方間的樹種葉片代謝產(chǎn)物組成差異性要顯著高于模型預(yù)期值。和亞熱帶、溫帶相比，熱帶樹種代謝物多樣性更高。研究人員推測，熱帶地區(qū)樹種葉片代謝產(chǎn)物的快速變化和高度差異性，可能是熱帶地區(qū)樹種高化學(xué)物質(zhì)多樣性的關(guān)鍵來源。
在此基礎(chǔ)上，研究團(tuán)隊研究了60個樹木群落的植物化學(xué)物質(zhì)多樣性和植食性昆蟲選擇壓力的關(guān)系?！跋啾绕渌麣夂騾^(qū)域，熱帶地區(qū)樹種面臨的植食性昆蟲選擇壓力更大，具體表現(xiàn)為更高的植食率和食性更為專一的昆蟲比例。”孫露進(jìn)一步說，在熱帶雨林的群落水平上，蟲食率可高達(dá)13%，甚至在某些特定植物上高達(dá)26.7%；而在溫帶針葉林的群落水平上，蟲食率整體僅為0.65%左右。這表明，在產(chǎn)生和維持熱帶地區(qū)樹木多樣性方面，生物間的協(xié)同互作關(guān)系可能發(fā)揮著極為重要的作用。
這一研究結(jié)果不僅為驗(yàn)證假說提供了大量證據(jù)，也為理解植物的生態(tài)適應(yīng)策略打開了新視角，加深了對生物多樣性維持機(jī)制的理解。
