文章导读

最近，山松甲虫的爆发导致北美西部的北美松树大量死亡，导致幸存树木数量减少。虽然之前的研究主要关注这些爆发对幸存树木生理和生长的连锁影响，但仍需要全面研究各种生理特征与爆发后林地生长之间的相互作用。具体而言，人们对化学 (主要是萜烯) 和解剖 (主要是树脂管) 防御之间的关系以及支持这些防御方式的非结构性碳水化合物 (NSC) 的分配了解甚少。来自加拿大艾伯塔大学的Nadir Erbilgin教授及其团队在Metabolites 发表了文章，聚焦于北美松林中树皮甲虫爆发后幸存松树的防御机制。通过回顾性分析，探讨了幸存松树韧皮部中单萜和二萜浓度与树脂管特征、生长参数及非结构性碳水化合物之间的关系。旨在揭示化学与解剖防御间的相互作用及其对树木生存的影响，同时分析防御特征与树木生理状态的潜在联系。此研究不仅增进了对树皮甲虫-寄主树木相互作用的理解，也为评估虫害对森林生态系统长期影响提供了科学依据。

研究过程与结果

在本研究中，采用了一系列精细的化学和解剖学分析方法，深入探讨了北美松林中幸存松树在树皮甲虫爆发前后的防御机制。通过高效液相色谱-质谱联用技术 (HPLC-MS) 和超高效液相色谱法 (UHPLC)，精确测定了韧皮部样本中的单萜、二萜及非结构性碳水化合物 (NSC) 的含量。同时，利用高分辨率图像处理和统计分析软件，量化了树木的径向生长及树脂管形态特征。为了揭示这些防御策略和生长特征之间的复杂关系，运用了多种统计分析方法。皮尔逊相关性分析帮助我们初步识别了化学防御成分、NSC含量、解剖防御特征及生长参数之间的潜在联系。随后，通过间接梯度分析和非线性多维标度 (NMDS) 技术，进一步探索了这些特征在多维空间中的相互作用，并直观地展示了它们之间的关系模式。为了验证这些关系的稳定性和显著性，构建了线性混合效应模型，将地点作为随机效应纳入考虑，以控制潜在的地理和环境变异。这些模型不仅揭示了整体防御策略与树木生长之间的关联，还深入分析了单个化合物和具体防御特征对树木健康状态的独立影响。最后，通过比较分析，评估了不同爆发年份间树木防御和生长响应的异同，为理解树皮甲虫对森林生态系统的长期影响提供了科学依据。

疫情后续观察显示，树脂管特征随疫情发展显著变化，与树木防御及生长紧密相关。2014至2015年数据对比表明，疫情后树脂管尺寸与面积较疫情前大增10-20%，体现了树木应对胁迫的策略。特别是2014年，即便BAI无显著变化，树脂管面积仍显著增长。2015年则见BAI增长后无显著生长释放，但树脂管面积仍远高于十年前。树脂管产量、密度及尺寸的变化，揭示了树木内部代谢与防御的深度调整。见图1、2。

• 图1. 2014年疫情爆发前后5年和10年内美国松树脂管产量 (a)、树脂管总面积 (b)、树脂管大小 (c)、树脂管密度 (d)、树脂管相对面积 (e) 和基部面积增量 (f) 平均值 (±SE)。不同时期的显著差异用不同字母表示。

• 图2. 2015年疫情爆发前后5年和10年内美国松树脂管产量 (a)、树脂管总面积 (b)、树脂管大小 (c)、树脂管密度 (d)、树脂管相对面积 (e) 和基部面积增量 (f) 平均值 (±SE)。不同时期的显著差异用不同字母表示。

研究总结

总之，对幸存于树皮甲虫爆发的北美松树的回顾性分析揭示了化学防御和解剖防御之间的复杂相互作用。爆发后单萜浓度与树脂管特征之间的强相关性强调了这些化学防御在树木恢复力中的重要性，这与之前对针叶树防御的研究一致。虽然观察到基部面积增量 (BAI) 与某些单萜和二萜之间存在正相关关系，但没有显著的生长释放以及树龄与单萜之间的负相关性表明在应对甲虫爆发时采取了平衡的资源分配策略。尽管对树脂管的投资增加了，并且NSC与萜浓度之间存在正相关，但未发现解剖防御与BAI之间的直接联系。这些发现表明，虽然解剖和化学防御至关重要，但它们的相互作用和对生长的影响仍然复杂，值得进一步研究，以充分了解疫情爆发后森林生态系统的动态。

原文出自Metabolites 期刊

Baker, G.; Zhao, S.; Klutsch, J.G.; Ishangulyyeva, G.; Erbilgin, N. The Legacy Effect of Mountain Pine Beetle Outbreaks on the Chemical and Anatomical Defences of Surviving Lodgepole Pine Trees. Metabolites 2024, 14, 472. https://doi.org/10.3390/metabo14090472

Metabolites 期刊介绍

期刊内容涵盖代谢组学、代谢生物化学、计算和系统生物学、生物技术和医学领域相关的代谢物以及代谢方面的研究。

• 2024 Impact Factor: 3.7
• 2024 CiteScore: 6.9