入侵植物通过优化叶片氮分配提升光合能力：基于原生地与入侵地的大规模比较研究

《New Phytologist》：Invasive plants optimize leaf nitrogen allocation in photosynthesis

本研究系统比较了27种入侵植物在其原生地与入侵地，以及17种本地植物的光合性能与叶片氮分配模式。研究发现，入侵植物通过将更多叶片氮（N）分配给光合作用相关功能（如Rubisco和叶绿素），而非结构或防御功能，从而在两种生境中均表现出比本地植物更高的光合能力。这一优势可能源于入侵地的新适应（如高光生境增加对Rubisco的投资）和/或原生地的预先适应（如森林入侵者已具备更高的叶绿素分配与量子产额）。研究结果揭示了氮分配优化是入侵植物竞争优势的关键机制，并挑战了其生长优势以牺牲防御为代价的假说。

　　

摘要

理解入侵植物相对于本地物种的竞争优势机制是全球生物多样性保护的重点。在可能解释入侵者更快生长速度和更高繁殖力的性状中，光合（同化）速率（A）是关键，它在多种生境中往往高于共存的本地物种。光合作用是一个依赖限制性资源（特别是氮N）分配的经济过程。入侵者的高光合速率通常与较高的叶片氮浓度相关。然而，植物也可以通过将更大比例的叶片氮分配给光合机构（而不是非光合功能，如防御、结构支持或生物合成）来实现高光合速率。尽管直接比较本地和入侵物种叶片内氮分配的研究很少，但现有工作表明，入侵者倾向于以支持快速生长和光合作用的方式分配氮。此外，对入侵物种在其原生（“家”）和引入（“外”）范围的单分类单元比较表明，入侵者在其外范围分配更多的氮给光合作用。然而，这些研究没有包括与共存本地物种的比较。在本研究中，我们量化了包括入侵植物（在其家和外范围）以及共存本地物种在内的广泛植物类群的叶片内氮分配模式。

引言

入侵植物为研究与光合氮利用效率（PNUE，单位叶片氮的碳增益）和叶片氮分配相关的潜在权衡提供了宝贵的模型，因为它们通常在入侵的环境中遇到新的选择压力。例如，如果入侵植物在其外范围经历较少的叶片食草动物危害，那么投资于防御（N_D）和/或结构细胞壁蛋白（N_C）可能变得不那么适应。增强竞争能力的进化（EICA）假说提出，这种“天敌释放”是驱动叶片氮重新分配给光合功能（如Rubisco（N_R）、光捕获（N_L）或生物能学（N_B））的进化驱动力。最优氮分配理论则预测了这种潜在转变的结果：氮重新分配的方向将取决于环境条件和光合作用的生化限制。或者，入侵植物可能具有“预先适应”的竞争性状，在其原生范围就表现出与入侵性相关的表型，并在引入范围持续存在。

材料与方法

我们的研究包括北半球三个气候相似但自中新世以来一直保持植物区系隔离直到约公元1500年的区域。我们在法国北部、日本东北部和美国东北部采样，以检查植物性状在原生和引入范围的变化。物种选择包括我们研究区域中许多最常见的非本地木本和草本入侵者。总共，我们采集了44种植物（21种木本，23种草本），覆盖三个大陆的414个种群。其中，27种是已知的入侵类群，在其家（原生）和外（入侵）范围均有采样。另外还包括17种本地物种，以方便入侵者-本地物种性状比较。我们在两种广泛的生境类型——田地和森林——中采样，代表了对比的光环境。

我们于2019年至2021年间在田间使用LI-6400红外气体分析仪在完整叶片上测量净光合作用。对于所有种群，我们测量了光合作用对叶片内部CO₂浓度（A-Ci曲线）的响应，对于森林物种，我们还测量了净光合作用（A_n）对光强度变化（A-q曲线）的响应。我们收集并扫描了用于光合作用测量的叶片以确定鲜叶面积，随后在70°C下烘干48小时以估算比叶面积（SLA）。然后使用元素分析仪测量基于质量的叶片碳（C）和氮（N）含量。额外的鲜叶材料用于通过二甲基甲酰胺萃取分析叶绿素（Chl）含量，以及通过SDS-PAGE电泳测量Rubisco含量。我们使用顺序消化技术测量细胞壁含量，并通过元素分析分析细胞壁氮含量。我们通过结合总生物碱和总氰苷的分析来测量叶片氮分配到防御的情况。

我们使用Farquhar-von Caemmerer-Berry C₃光合作用模型，在分层贝叶斯框架内从所有个体的A-Ci曲线估算最大羧化速率（V_c,max）、电子传递速率（J_max）、白天呼吸速率（R_d）和400 ppm下的光饱和光合速率（A_sat）。对于森林物种，我们使用在低光水平（≤100 PPFD）下A_n对光强度微小变化的单独回归来估算表观量子产额（AQY）作为每个森林个体的A-q斜率。

我们估算了五个叶片氮组分。我们假设Rubisco中的氮（N_R）占测量的Rubisco含量的16%。我们根据叶绿素估算光捕获中的氮（N_L），使用37.1 mol N_Lmol Chl^-1的关系。叶片氮分配到生物能学（N_B）是J_max、SLA和电子传递比活（J_mc）的函数。细胞壁中的氮（N_C）计算为叶片细胞壁浓度与细胞壁氮含量的乘积。防御分配氮（N_D）计算为存在于氰苷和生物碱中的叶片氮比例。我们将这些变量Z标准化后进行统计分析。

我们分别按生境类型测试叶片性状是否因本地-入侵组（入侵-外、入侵-家或本地）而异。饱和光下的光合氮利用效率（PNUE_sat）计算为A_sat/N_area，森林植物的低光光合氮利用效率（PNUE₁₀₀）计算为A₁₀₀/N_area。我们使用贝叶斯混合模型方法，包括生境类型和本地-入侵者组的固定效应，并在交叉设计中考虑随机站点和物种效应。对于氮分配组分，我们使用多元分层贝叶斯模型进行测试，该模型考虑了物种和区域内的相关性。

结果

光合作用

田间和森林物种对CO₂的光合响应（A-Ci曲线）表明，入侵物种在其外范围的光合能力显著高于共存的本地物种，而入侵者在其家范围表现出中间值。对于田地生境的物种，入侵者在其外范围较高的光合速率与较高的最大羧化速率（V_c,max）、电子传递速率（J_max）和光饱和A（A_sat）相关。对于森林入侵者，跨光水平的光合速率比本地物种高约40%，入侵者家范围的值再次处于中间。光合作用对光响应（A-q曲线）的差异部分源于森林中的表观量子产额（AQY），入侵者在其家和外范围的AQY均显著高于本地物种。将AQY分解为光吸收率和真实量子产额（TQY）的分析表明，森林入侵者不仅比本地物种吸收更多的光，而且将光能转化为化学能的效率更高。我们在田地或森林生境内的组间未发现白天呼吸速率（R_d）的差异。

叶片性状

比叶面积（SLA）在森林物种中显著更高，但入侵和本地组之间差异极小，除了田地入侵者在其家范围的SLA显著高于本地物种。单位面积的叶片氮含量（N_area）在田地物种中显著更高，但在入侵和本地组之间没有差异。基于质量的叶片氮（N_mass）也不因生境或入侵状态而异。Rubisco浓度是V_cmax的重要预测因子，但在生境间没有显著差异。然而，在田地生境中，入侵者在其外范围的Rubisco浓度显著高于本地物种。此外，家范围入侵者的Rubisco浓度相对于本地物种有所降低。单位面积的叶绿素浓度在田地和森林生境之间没有差异，但在入侵组间变化显著，并且与森林物种的AQY显著相关。对于田地物种，入侵者在其外范围的叶绿素显著高于其家范围。对于森林物种，入侵者在其家和外范围的叶绿素均高于本地物种。

光合氮利用效率

光饱和光合氮利用效率（PNUE_sat）在田地物种中高于森林物种，但在本地和入侵组之间没有显著差异。相比之下，低光条件下的PNUE（PNUE₁₀₀）对于森林入侵者在其家和外范围均显著更高。

叶片氮分配

平均而言，研究中的物种将37%的叶片氮分配给Rubisco，18%分配给光捕获，8%分配给生物能学，14%分配给细胞壁蛋白，不到1%分配给含氮防御化合物。森林物种在这五个组分中回收的叶片氮显著多于田地物种。与田地物种相比，森林物种将显著更多的叶片氮分配给光捕获。

我们观察到入侵者家和外范围之间叶片氮分配的显著变化。在田地物种中，Rubisco分配（N_R）在其外范围显著高于其家范围和共存本地物种。同样，光捕获的氮分配（N_L）在田地入侵者外范围高于其家范围，但与本地物种相比不显著更高。我们还发现田地入侵者的N_B更高，无论范围如何。总体而言，综合的光合氮组分（N_P= N_R+ N_L+ N_B）在田地入侵者外范围大于其家范围，尽管与本地物种的对比不显著。

在森林入侵者中，各组间叶片氮分配的差异通常小于田地物种。尽管在综合光合氮分配（N_P）中未检测到成对差异，但森林入侵者在其家和外范围均显示出N_L的小幅但边际显著的增加。

细胞壁蛋白和氮含量在各组内变化很大，未显示出一致的分配差异。叶片氮分配给防御化合物只占叶片氮预算的一小部分，但田地入侵者在其家和外范围的N_D略高于本地物种。

讨论

在入侵范围优化叶片氮向光合作用分配

我们的研究结果表明，与原生范围相比，入侵植物在其入侵范围将更多的叶片氮投资于光合过程，其程度显著增强了在与相同条件下生长的共存本地物种相比的碳增益。考虑到我们研究广泛的时空、环境和分类尺度，这些结果可能具有普遍性。此外，入侵者在森林和田地的氮分配差异与最优氮分配理论一致：在强光条件下，Rubisco限制的羧化作用通常限制光合作用，而在遮荫下，叶绿素驱动的光捕获限制同化。我们的结果为主要假设提供了机制支持，即开放生境的入侵者具有获取性资源策略，而遮荫生境的入侵者通过更高的PNUE更能耐受低资源供应。我们没有发现支持入侵物种通常比本地物种具有更高总叶片氮含量或叶片氮在入侵者家和外范围之间普遍增加的假说。这强调需要更多研究关注叶片氮如何在叶片内部分配，而不是仅仅关注总氮含量。

田地的光合优势——叶片功能入侵地转变的证据

在田地物种中，入侵者外范围的Rubisco分配（N_R）显著增加，这与较高的V_c,max和A_sat相关，正如最优氮分配理论对高辐照度下叶片的预测。我们还发现入侵者与本地物种相比具有更高的最大电子传递速率（J_max），这表明来自类囊体蛋白质复合物的羧化作用能量支持能力更强。我们将气孔限制排除为我们数据中羧化能力的主要驱动因素，因为我们在本地-入侵组间未发现细胞内CO₂浓度（C_i）的差异。

森林的光合优势——预先适应的证据

来自遮荫森林林下生境的木本物种表现出独特的叶片氮分配模式。入侵者在其外范围将更多的氮分配给光捕获，这与更高的AQY和低光水平下的PNUE相关。尽管总叶片氮没有差异，但在100 μmol m^-2s^-1PPFD下的光合作用比本地物种高50%。这些相同的性状在入侵者的家和外范围种群之间没有差异，这表明这些物种可能预先适应了低光条件下的高资源利用效率。但也有例外。所有原产于日本的七种森林入侵物种在其家和外范围都具有相似的高N_L值，但原产于北美的四种森林入侵者中的三种在其家范围具有显著更高的N_L值，而原产于欧洲的两种入侵者在其外范围种群具有更高的值。

增强的叶绿素分配可能通过增加光吸收率提高了入侵者的AQY，入侵者捕获了超过80%的入射光，而本地物种则不到75%。我们的分析还表明，真实量子产额（TQY）在外范围入侵者中最高，其次是家范围入侵者和本地物种，这表明入侵者将这种额外的光能转化为化学能的效率更高。这可能表明森林入侵者通常比共存的本地物种承受更低的胁迫，因此不需要相同水平的将能量从光合作用转移出去的非光化学淬灭过程。事实上，即使在强光下的田地物种中，我们也发现外范围入侵种群的叶绿素含量平均比家范围种群或共存本地物种高出50%以上。这表明入侵者可以在低光和高光生境中使用更多的光能，而没有显著的辐射损伤风险，并指出需要更多整合入侵物种胁迫耐受性和生长优势的研究。

缺乏对增强竞争能力进化假说的支持

EICA假说表明，在入侵范围，资源从非光合作用库重新分配给光合作用库。基于测量的防御化合物，我们没有发现入侵者将氮从结构或防御库转移到光合功能的证据。尽管细胞壁蛋白分配平均占叶片氮的14%，但它在各组和物种间变化很大，并且次生代谢物中的叶片防御氮分配极少。虽然我们观察到田地入侵者外范围对N_P的分配增加，但这种叶片氮并未与N_D或N_C的减少相关。在一项伴随研究中，我们也发现除了原产于北美的一些入侵者外范围富氮生物碱浓度增加外，家和外范围之间的防御或营养叶片性状没有一致的转变，这与EICA预测相反。

在入侵者家和外范围叶片氮没有总体差异的情况下，入侵者光合氮的增加必须来自残余氮库。残余氮可能包括核酸、无机氮或胞质中的游离氨基酸，以及线粒体和生物合成中的蛋白质。由于与光合作用或结构组织相比，这些成分通常对生长的贡献较小，因此分配到这些库的减少可能是入侵者生长更快、更具竞争力的关键。