「New Phytologist」东北师大王德利团队揭示植物病原真菌在调节家畜对草地生产力与多样性影响中的重要作用

以下文章来源于东北师范大学草地科学研究所 ，作者李天韵

家畜放牧是天然草原最重要的利用方式之一，家畜通过采食、践踏及排泄等多种途径影响植物群落组成、多样性和生产力。当家畜选择性地采食优势植物时，其通过防止竞争排除作用促进了植物群落多样性。植物叶片病原真菌作为高营养级生物类群能够通过损害植物生长和繁殖方式，降低宿主植物的适合度，进而直接影响植物种群与群落特征。事实上，叶片病原真菌也能够通过改变宿主的养分含量及防御特征，间接调节宿主植物与其他消费者之间的相互作用关系，这种调控作用很可能影响高营养级生物对低营养级生物的下行效应（top-down effects）。然而在放牧系统中，植物病原真菌如何调节家畜与植物间的相互作用关系及其在生态系统中发挥的调控作用尚不明确。

为阐明这一问题，东北师范大学草地科学研究所王德利团队研究人员通过三年的田间放牧操纵和灭菌控制实验，评估了家畜（牛）与叶片病原真菌对植物群落结构与功能的交互作用。结果表明，叶片病原菌通过改变宿主植物的养分与次生代谢物含量抑制了牛对优势种羊草的采食，进而调节了家畜对草地群落多样性与生产力的下行效应，揭示了叶片病原真菌在宿主植物与草食动物之间的相互作用关系中充当着“生态系统功能调控者（ecosystem modulator）”的重要角色。研究人员发现在灭菌的条件下，牛放牧能够减少羊草56%的生物量，而在未灭菌条件下，牛采食对羊草生物量没有显著影响；相反，在放牧条件下，病原菌的存在增加了羊草15%生物量，而不放牧的条件下，病原真菌对羊草生物量没有显著作用。虽然病原菌对杂类草没有显著影响，但是牛放牧显著提高了杂类草生物量。植物生物量的变化进而影响着草地多样性，在灭菌条件下，放牧显著提高了物种丰富度，但当病原菌存在时放牧对丰富度没有显著影响。因此，牛与病原菌对羊草生物量及物种丰富度具有显著的交互效应。

图1牛放牧与灭菌处理对植物生产力与多样性的影响

研究人员通过进一步对植物叶片养分含量及次生代谢物浓度的测定，发现叶片病原菌显著降低了羊草叶片氮含量，同时显著提高了羊草叶片生物碱含量，进而抑制了牛对羊草的采食。这一结果阐释了牛与叶片病原菌产生相互作用的潜在机制，证明了叶片病原菌在牛放牧对植物群落的下行作用中的起到重要的调控作用。

图2 叶片病原真菌改变羊草叶片氮（A）及生物碱含量（C）

病原真菌的存在抑制了牛对羊草的采食（D）

综上，在放牧系统中，叶片病原菌作为生态系统调节者发挥着重要作用。自然状态下，羊草具有绝对的竞争优势，强烈抑制杂类草与其他禾草的生长。家畜对羊草的采食缓解了物种间的竞争，从而间接促进了植物物种多样性。而叶片病原真菌则通过改变宿主植物性状（养分及次生代谢物），抑制了牛对羊草的采食，进而与牛放牧产生显著的交互作用。本研究通过解析病原真菌在草食动物-植物互作关系中的调控作用，进一步揭示了草地生态系统中远缘物种之间相互作用存在的普遍性，对丰富食物网理论具有重要意义。同时为保护草地生物多样性，维持草地生态系统稳定性及多功能性提供一定的理论依据。

图3 叶片病原真菌调控牛放牧对植物群落的影响模式图

这一研究成果以“Parasites as ecosystem modulators: foliar pathogens suppress top-down effects of large herbivores”为题于2023年3月21日发表在New Phytologist上。东北师范大学草地科学研究所博士研究生李天韵为论文的第一作者，王德利教授与钟志伟副教授为该论文的共同通讯作者。美国蒙大拿大学Dean E. Pearson教授和Yvette K. Ortega教授，瑞士联邦森林、雪和景观研究所 （WSL）Anita C. Risch教授，东北师范大学朱慧副教授、李亚楠工程师及博士生李文君等参与了本项研究。该工作得到了国家自然科学基金（32061143027, 31770520），国家重点研发项目（2022YFF1300600），高等学校学科创新引智计划（B16011）及吉林省自然科学基金（20220101283JC）的支持。

论文链接：https://nph.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/nph.18912

转自：“iPlants”微信公众号

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