在网上搜索“加拿大一枝黄花”,会发现很多这样的新闻:“某地集中除治加拿大一枝黄花”“我市积极清剿加拿大一枝黄花”……

这个“不速之客”原产于北美温带地区,是对我国危害最严重的入侵植物之一。近日,南京农业大学杂草研究室教授强胜团队揭示了外来杂草加拿大一枝黄花通过多倍化增强耐热性分化,驱动其分布范围从温带向赤道逆向扩张。相关论文在线发表于《生态学专论》。

入侵带来严重生态后果

我国外来入侵植物共300多种,隶属于67个科,其中以菊科数量最多,造成严重危害的有加拿大一枝黄花、紫茎泽兰、飞机草、微甘菊等。

加拿大一枝黄花色泽亮丽,最初作为庭院观赏植物引入我国,如今却成了“生态杀手”。除了北美,这种植物广泛入侵欧洲和东亚等地区,特别是在我国亚热带季风气候区造成严重的生态灾害。

“加拿大一枝黄花具有极高的入侵性。”强胜向《中国科学报》介绍,“该种植物根状茎发达,一旦定植就很难根除,极易在入侵生境形成单优势群落,严重排挤本地物种生长,导致生境的均质化,从而影响当地的生物多样性,危害当地自然景观、群落演替。”

对于外来入侵植物的研究主要从其入侵生物学机制、入侵扩散动态及地理分布格局、入侵后的生态后果及其防控管理等方面展开。加拿大一枝黄花研究源自上世纪末。不过,强胜指出,相关研究一直不够系统和深入,入侵的加拿大一枝黄花种群高度增加一倍、完全形成单优群落、严重降低入侵生境的生物多样性等问题的机理尚不明晰。

经过10多年研究,强胜带领团队对全球471个样点的2062份加拿大一枝黄花材料进行了细胞地理学分析,首次揭示目前入侵我国且猖獗的加拿大一枝黄花全部是多倍体(主要是六倍体),而原产地则以二倍体为主,二倍体种群仅能入侵欧洲和东亚的温带地区。

多倍化是最主要入侵机制

团队深入研究发现,该物种的倍性水平与纬度分布呈显著负相关,与温度呈显著正相关;20℃至24℃等温线是二倍体和多倍体入侵范围气候生态位的差异分化带,这种分化是同源多倍化驱动该物种耐热性增强的结果。

“多倍化是其最主要的入侵机制。加拿大一枝黄花多倍体变得更高大和更具竞争力。”论文共同第一作者程继亮说。

团队利用原产地和入侵地二、四、六倍体6种地理细胞型,分别在美国佐治亚州和中国南京市的同质园试验,发现多倍体尤其是入侵地多倍体演化出更有效的耐热生理机制,即多倍体通过抗氧化酶高效清除活性氧,而二倍体则更多依赖产生抗氧化剂应对热胁迫。

研究发现,对成功入侵起关键作用的是二倍体在夏季高温气候条件下胚胎败育导致花而不实,入侵地多倍体可以耐受高温使胚胎正常发育产生可育的种子,而且它们还显著延迟到秋季温度降低时旺盛开花,通过高温避让机制在更适宜的气候条件下产生巨量种子,随风飘移,迅速扩散蔓延。

强胜表示,这种倍性依赖的耐热性以及有性生殖特性的演化是预适应和入侵后迅速演化共同作用的结果。这是首个揭示外来植物成功入侵事件关键内在要素的案例。

“该物种的适生区范围将随全球变暖持续扩张。”论文共同第一作者李君介绍,据预测,在全球变暖的背景下,其潜在分布范围将继续扩大,并在全球尺度上继续从温带向亚热带扩张。这意味着加拿大一枝黄花的入侵和扩张将对全球生物多样性保护提出更严峻的挑战。

该研究为温带起源植物通过同源多倍化驱动分布范围逆向扩张提供了首个案例,同时这种植物的演化新动向为研究应对全球变化和多样性加速减少的策略提供了新思路。

为防控管理提供科学依据

目前,国家投入了大量人力物力对加拿大一枝黄花进行防治,但由于其极强的繁殖和扩张能力而收效甚微。该研究为防控、管理加拿大一枝黄花提供了理论基础和科学依据。

人工种植的通称“黄莺花”的加拿大一枝黄花的鲜切花全是二倍体。花农选择二倍体种植的原因是其开花早,可更早采集鲜切花。鉴于其目前不会入侵24℃等温线以南地区,可以被允许种植。

强胜表示,原来管控加拿大一枝黄花商业种植的政策可以在亚热带地区加以调整。但是,在20℃等温线以北的东北、华北北部、西北、西南以及其他有相似气候的地区种植该物种具有逃逸风险,应被严格禁止。

此外,“团队研发了齐整小核菌微生物除草剂产品——加黄净,可以有效根除加拿大一枝黄花,且对其他植物相对安全,进而迅速恢复被入侵生境的生物多样性。”强胜介绍。

“接下来,我们将对加拿大一枝黄花的化感作用、无性繁殖能力以及耐热性分子机制展开深入研究,以系统揭示加拿大一枝黄花成功入侵的机理。”他说。(记者 王方)