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植物消失背后的昆虫之殇

来源:中国科学报 作者:韩扬眉 人气: 发布时间:2019-09-10 08:55:27

8月,那场破纪录的亚马孙雨林大火不仅使气候和环境学家们痛心,也“烧”到了朱朝东的心头。他担心的是,超过80万公顷雨林植被的消失,那些依附于植被生存的昆虫、微生物等生物类群也可能面临“灭顶之灾”。

“理论上讲,成千上万个物种及其对生态系统影响重大的功能可能一下子就消失了,再想恢复它,就不是一件容易的事情,但学术界还需要数据支撑。”从事昆虫学研究20余年的中国科学院动物研究所研究员朱朝东告诉《中国科学报》。

不过,最近来自另一个森林的植物和昆虫多样性数据或许能作为一个支撑和依据。

近日,朱朝东团队联合德国哥廷根大学Andreas Schuldt团队、中国科学院植物研究所马克平团队,在位于江西省德兴市新岗山镇的亚热带森林生物多样性与生态系统功能实验研究(BEF-China)有了新发现。

研究人员以植食性昆虫中的鳞翅目幼虫作为主要研究对象,结果发现,植物物种多样性的丧失能够显著地影响鳞翅目幼虫的数量、物种多样性,还能显著影响植食性昆虫群落整体系统发育多样性。重要的是,植物多样性能够间接地通过鳞翅目幼虫的数量影响其多样性。相关成果近日发表于《生态学学报》。

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 ▲Andreas Schuldt和朱朝东在实验样地考察

“追根溯源”全面理解生物多样性

森林,蕴含着巨大的生物量,是独一无二的生物多样性宝库。

生物多样性指标包括物种多样性、功能多样性和系统发育多样性。在以往的森林生态系统研究中,后两者并未得到足够重视。

论文通讯作者朱朝东解释,物种多样性是一种“现生”格局,即当前物种的数量与丰富度如何。同时,在群落中,根据不同的贡献,生物被划分为不同的生态功能群,如生产者、消费者、分解者等。功能多样性是基于测定生物功能性状最终计算得出,是连接生物多样性和生态系统功能的关键性因素。

系统发育多样性则是基于系统发育关系,即不同生物类群的进化历史,对某一特定时间、空间尺度内生物类群的独特性或多样性等进行评估的重要指标。系统发育多样性是一种进化历史视角,展示不同生物在“系统发育树”上的位置和相关关系。

“系统发育多样性指标可以帮助识别具有丰富进化历史的优先保护区域,为优化设置自然保护区和制定生物多样性保护策略等提供支撑。”朱朝东表示。

森林生态系统的组成与结构复杂而多样,森林生态系统功能也因不同营养级生物类群的改变而改变。

中国科学院植物研究所副研究员张乃莉告诉《中国科学报》,一般情况下,植物多样性越高,生态系统的稳定性越高,其抵抗病原菌、害虫的能力越强,生产力也越高。

然而,以往相关研究大多重点关注植物物种多样性单一营养级层面上的影响,而对其他营养级生物的关注度不够。张乃莉说:“事实上,在整个生态系统中,植物、昆虫、微生物等这些具有不同功能的物种群落在食物网中相互耦联、有机结合,它们的影响举足轻重。若只关注一个层面,难免无法全局理解生态系统功能。”

近十年来,多营养级生物互作机制与影响逐渐成为热点问题。已有研究发现,植物多样性的丧失能够显著导致生态系统中消费者多度和丰富度下降。

昆虫纲作为动物类群中最为庞大的纲,其多样性在生态系统中的角色更为重要。朱朝东表示,昆虫物种丰富,分布范围广泛,适应于多种生境类型,对栖息地变化敏感,是生物多样性保护管理与评价的关键指示类群之一。

在昆虫家族中,植食性昆虫约占40%—50%,是昆虫中最庞大的功能群。植食性昆虫群落深受植物多样性变化的影响,但如何影响、影响程度等机制尚不清楚。

朱朝东表示,建立植物和植食性昆虫两层营养级生物的多重多样性指标,包括物种多样性、功能多样性和系统发育多样性,以此来理解它们之间的内在联系和互作机制,将有助于人们认识到,在不同营养级生物的相互作用过程中,不同的生物多样性指标到底扮演着何种角色,以及究竟哪种多样性指标影响更显著等。这也为未来实施生物多样性保护和昆虫多样性监测提供强有力的理论依据。

物种保护要关注历史与功能

BEF-China是迄今为止世界上最大的以树种为主的多样性实验样地,由中科院植物所研究员马克平团队联合瑞士、德国的生态学家共同建立,样地设计有从纯林到24个物种混交林的6种植物多样性梯度。

自2017年至今,朱朝东团队在该实验样地按照树种多样性梯度已连续开展9次鳞翅目幼虫采集。在他看来,该平台不仅有助于从整体上把握该地区昆虫多样性的情况,还有助于研究植物多样性丧失对相应的昆虫类群甚至整个森林生态系统功能会造成何种影响。

论文第一作者、朱朝东团队博士生王明强主要实施并完成了采集研究工作。他们用振布法共收集鳞翅目幼虫8471头。随后,在实验室完成所有鳞翅目幼虫的DNA条形码COI基因序列测定,并基于此快速有效地实现了幼虫的物种界定。

为了校正鉴定结果,研究人员还同步在样地通过灯诱法采集部分蛾类成虫,并将幼虫与成虫的COI基因序列进行整合,重建了系统发育树,以此获得了在不同植物多样性样方中的鳞翅目幼虫多度、物种多样性和系统发育多样性等指标。

这些被认为是迄今为止,大规模的植物—植食者相互作用分析中很少纳入的指标。

研究发现,系统发育关系在一定程度上决定了寄主植物群落的改变对植食者群落产生的影响。换言之,植物多样性的历史形成过程,显著影响着植食性功能昆虫群的形成与分化。

此外,植物的系统发育多样性在鳞翅目幼虫亲缘关系相近的类群分化中扮演了重要的角色。树木物种多样性、功能多样性和系统发育多样性,能够协同影响鳞翅目幼虫的物种丰富度和系统发育多样性。

“在生产者和消费者两个营养级中纳入更广泛的多样性指标,可以帮助人们更全面理解不同营养级的生物多样性变化而产生一系列生态学效应。”朱朝东说。

该研究还对当前全球昆虫数量不断下降带来的诸多不良后果发出了“警示”:植物和植食者群落之间系统进化上具有依赖关系,它们同时能够对生态系统结构和功能产生影响。

朱朝东表示,生物多样性保护,实则是要保护相互作用、相互依存的物种所在的生境,要多关注生物的系统发育多样性和功能多样性;保护功能类群,最主要的是保护植物多样性。

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▲研究人员在整理昆虫样本、录数据

未来仍具挑战

朱朝东坦承,在调查研究中,最大的挑战是昆虫的采样和鉴定工作,特别是幼虫的鉴定。

传统的昆虫物种鉴定,需要科学家依据形态学分类方法进行经验性鉴定,工作量大,且效率和精度低。朱朝东表示,尤其对于鳞翅目幼虫来说,其幼虫与成虫形态完全不一样,据此鉴定物种几乎是不可能完成的任务。得益于分子手段的发展,才使鉴定变得稍显“轻松”、高效,并在较短的时间内就能获得较大数据量。

王明强每年都参与新岗山的考察采样工作,他告诉《中国科学报》,去年6月,他们每天要在大约400棵树上进行采集,用了11天便完成了两块样地的全部采集工作。其间苦乐相伴,夏日的雨季气候酷热、地面湿滑,常与蚊子、毒蛇相伴。但这一时期也正是一年中虫量最多的时候,每当看到逐渐积累的样本,他们就兴奋不已,“付出的一切,都是值得的”。

物种鉴定的前提,需要长期的定位监测,但这恰恰是我国当前昆虫资源调查和保护的短板。“我国昆虫资源保护面临严峻挑战,传统的昆虫多样性监测手段和技术局限性凸显。”在马克平的多年努力下,中国科学院组织并支持了生物多样性监测网络,开展包括昆虫多样性在内的多类群监测工作。

朱朝东呼吁,亟待在不同的生态带推广BEF-China样地的经验,开展多个功能类群的多样性监测;尽快建立和执行我国昆虫各类群的监测技术规范(包括数据管理与分析规范),制订全面建设全国性昆虫多样性监测网络体系和监测数据公共信息平台。

事实上,长期定位监测,也为研究昆虫生态功能及其与其他生物类群的相互作用提供了基础数据支撑。“下一步,我们将在深入研究植物和植食性昆虫之间互作关系的基础上,拓展到三级营养级网络关系,进一步了解生物多样性与不同营养级物种之间的内在关系与产生的一系列生态学效应。”朱朝东说。

(编辑:逍遥客)

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