熱帶地區的生物多樣性為何如此豐富？這個謎團幾十年來一直吸引著生態學家和演化生物學家。近日，中國科學院西雙版納熱帶植物園（以下簡稱版納植物園）森林生態系統結構、功能與動態研究組與美國圣母大學的研究團隊合作，在《自然—生態與進化》上發表了最新研究成果。
一般來說，低緯度熱帶地區的物種數量明顯高于高緯度溫帶地區，尤其是樹木種類，從而形成了樹種豐富度隨緯度降低而單調遞增的趨勢。已有大量研究表明，生物間的復雜互動，例如植物與昆蟲和病原菌等的相互作用，在塑造這種生物多樣性分布格局中起著非常重要的作用。特別是在熱帶雨林，專食性昆蟲和病原菌通過同種負密度依賴效應，極大地促進了樹種在局域尺度的共存。
盡管科學家對生物相互作用在塑造緯度梯度生物多樣性分布格局上的重要性有了一定的認識，但許多基礎理論預測仍待驗證。例如，熱帶地區的樹種由于面臨更強的植食性昆蟲選擇壓力，具體表現為更高的植食率和專食性昆蟲的比例，它們是否會產生出組成和結構各異的代謝產物？進一步來說，這些代謝產物是否會在森林的內部和之間形成更加多樣化的分布？而且，在外部環境因素的影響下，植物體內的代謝產物是否會迅速演變，從而導致這些代謝產物的演化具有極高的不穩定性？
該研究以版納植物園森林生態系統結構、功能與動態研究組長期建立的云南省跨氣候帶海拔梯度森林樣方為研究平臺，利用非靶向代謝組學技術測定樹種葉片代謝產物組成，通過比較代謝組學、多樣性指數、系統發育比較分析等分析方法，開展群落水平上樹種化學多樣性沿環境梯度的分布規律研究，并結合樹種葉片的植食率和昆蟲食性比例，探究樹種葉片化學多樣性格局與植食性選擇壓力的相關性。
研究人員發現，熱帶、亞熱帶和亞高山這三個氣候區域的樹種葉片在代謝產物組成上存在顯著性差異。特別是熱帶地區的樹種，其化學生態位空間顯著高于亞熱帶和亞高山地區。熱帶地區的樹種化學alpha（樣方內）和beta（樣方間）多樣性均為最高，這表明熱帶地區樹種的代謝產物在組成和結構上的相似性非常低。其中，熱帶地區樣方間的植物代謝產物差異性顯著地高于零模型預期，他們因此推測，這種高周轉率可能是熱帶地區樹種高植物化學多樣性的關鍵來源。此外，相比于其它氣候區域，熱帶地區樹種面臨著更高的植食性昆蟲選擇壓力，具體表現為更高的植食率和食性更為專一的昆蟲比例。
論文通訊作者、版納植物園研究員楊潔表示，這一結果不僅提供了關于跨氣候帶環境梯度下植物化學多樣性和植食性昆蟲選擇壓力空間分布格局的廣泛證據，而且從化學生態學的角度為我們理解植物的生態適應策略開辟了新的視角，進一步拓展了我們對生物多樣性維持機制的理解。
相關論文信息：https://doi.org/10.1038/s41559-024-02444-2