植物揮發物（volatile organic compounds）不僅可以幫助植物抵御生物和非生物脅迫，同時可以影響鄰近植物的生長和防御，在調節植物和昆蟲種群動態和群落組成方面起到重要作用。然而，以往研究更多的關注葉片揮發物的釋放過程、作用機制和生態效應，忽略了根部揮發物在調節植物-植物互作和植物-昆蟲互作的重要性。
中國科學院武漢植物園入侵生態學學科組與瑞士伯爾尼大學和德國馬普化學生態研究所合作，以入侵植物斑點矢車菊為研究對象，通過氣相色譜質譜分析和轉錄組測序等分析技術，研究發現斑點矢車菊根部釋放大量倍半萜類物質，其主要的成分為(E)-β-Caryophyllene，釋放速率為3μg/g/h；這些倍半萜類物質的合成主要是由6種倍半萜合成酶控制，其中CsTPS4 和CsTPS5合成酶起主要作用。通過競爭實驗和生物測定等研究手段，研究發現在沒有昆蟲取食鄰近植物的情況下，斑點矢車菊根部釋放的倍半萜類物質可以顯著提高部分鄰近植物的種子萌發和個體生長；但是，在有昆蟲取食鄰近植物的情況下，這些倍半萜類物質的釋放顯著促進了昆蟲在鄰近植物上的取食危害程度，反而抑制鄰近植物的生長。這些研究結果表明植物根部揮發物在調節植物-植物互作、植物-昆蟲互作同樣發揮著十分重要的作用。此外，研究結果同時指出入侵植物不僅可以通過資源競爭抑制本地植物，而且可以通過植物間的化學信息交流來改變本地植物與昆蟲的互作關系，進而抑制本地植物，降低生物多樣性。
相關研究結果已在期刊Plant, Cell & Environment在線發表。該研究得到重點研發計劃（2017YFC1200100），自然科學基金（31470447和31822007）、歐盟瑪麗居里行動計劃（629134和704334）等的資助。武漢植物園黃偉研究員參與了研究論文1的部分工作，是研究論文2 的第一作者和共同通訊作者。
論文信息：
Gfeller V, Huber M, F？rster C, Huang W, K？llner TG, Erb M. 2019. Root volatiles in plant–plant interactions I: High root sesquiterpene release is associated with increased germination and growth of plant neighbours. Plant, Cell & Environment, online.
Huang W, Gfeller V, Matthias Erb. 2019. Root volatiles in plant–plant interactions II: Root volatiles alter root chemistry and plant–herbivore interactions of neighbouring plants. Plant, Cell & Environment, online.
圖1 斑點矢車菊根部倍半萜類物質合成酶的表達以及主要倍半萜類物質(E)-β-Caryophyllene和daucadiene的含量
圖2 斑點矢車菊根部倍半萜類物質對鄰近植物種子萌發和個體生長的影響
圖3 斑點矢車菊根部倍半萜類物質對鄰近植物與昆蟲互作關系的影響
