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四川農業大學供圖
植物研究領域中一直有一個熱點假說——植食性昆蟲及其天敵的存在驅動了植物葉片揮發物發生自然選擇進化，從而具備了不同的防御能力。近日，這一假說被四川農業大學學者首次證明。
近日，四川農業大學林學院副教授林恬恬以第一作者身份在《當代生物學》上在線發表了名為《一種入侵植物的進化證明了植物葉片揮發物的防御功能》的研究論文。
據了解，植物葉片在正常情況下通常會釋放兩種不同類型的揮發物。一種是隨時都在釋放的組成型揮發物（constitutive volatiles），另一種是在被植食性昆蟲取食葉片后釋放的昆蟲誘導型揮發物（herbivore induced volatiles）。前期研究發現，在未受昆蟲為害時，植物往往只釋放少量的組成型揮發物以直接趨避普食性昆蟲；而當受到專食性昆蟲為害時，則會大量釋放昆蟲誘導型揮發物，以引誘該昆蟲的天敵前來捕食，達到間接防御專食性昆蟲的目的，且研究還發現這兩種揮發物的釋放與取食葉片的植食昆蟲種類具有高度專一性。
因此，有專家認為植食性昆蟲及其天敵應該參與驅動了葉片揮發物的進化從而使植物具備上述防御功能。但是迄今尚未有研究能找到一種理想的植物種群和及其相應的昆蟲類群來驗證該假設，因此，該假設是否成立在學界一直存在很大爭議。
本研究以入侵植物千里光（Jacobaea vulgaris）（本地種群和入侵種群各25個）、該植物的專食性昆蟲朱砂蛾（Tyria jacobaeae）及其專性寄生蜂（Cotesia popularis）、廣食性昆蟲甘藍夜蛾（Mamestra brassicae）為研究系統，分析了千里光入侵種群揮發物的進化變化及其組成型揮發物和誘導型揮發物各自的防御作用。
千里光是多年生植物，原產于歐亞大陸，大約在150年前入侵了澳大利亞、新西蘭等國。在這些入侵領域，不存在千里光的專食性昆蟲及其天敵。本研究發現，與本地種群相比，入侵千里光種群釋放的組成型揮發物含量更高，而專食性昆蟲為害后釋放的誘導型揮發物含量要則顯著降低。昆蟲嗅覺及產卵實驗結果表明，與本地種群相比，入侵種群釋放的組成型揮發物對專食性昆蟲具有更強的引誘作用，而對廣食性昆蟲則有更強的驅避作用。同時，專食性昆蟲為害后誘導的本地種群釋放的誘導型揮發物比入侵種群對寄生蜂具有更強的吸引作用，并且得到了田間自然寄生率實驗的佐證。這一研究結果首次揭示了葉片揮發物介導的對植食性昆蟲的直接和間接防御驅動了植物揮發物的進化，證實了植物揮發物的重要防御功能。
本研究是林恬恬與國內外學者合作完成，其中浙江大學教授婁永根、萊頓大學博士Klaas Vrieling和瑞士Neuchatel大學教授Ted Turlings為本文的共同通訊作者。該研究得到國家自然科學基金國際合作重點項目、現代農業產業技術體系等項目的資助。
相關論文信息：https://doi.org/10.1016/j.cub.2021.05.055
