植物与植食性昆虫通常被认为具有拮抗关系，植食会造成组织损伤并降低植物生长和繁殖能力。然而，植物对植食的响应并非始终表现为生长受损，可由欠补偿（undercompensation）、完全补偿（exact compensation）延伸至超补偿（overcompensation）；完全补偿是指受植食个体最终恢复至与未受植食个体相近的水平，超补偿则表现为更高的生长或繁殖水平。对于生长期短、资源利用高度集中于春季水分脉冲的荒漠短命植物，这类非典型响应及其生态意义仍缺乏野外研究证据。
针对这一科学问题，中国科学院新疆生态与地理研究所张元明研究员团队以古尔班通古特沙漠一年生短命植物卷果涩芥（Strigosella scorpioides）及其茎蛀象甲（Lixus ochraceus）为研究对象，对自然侵染和未侵染植株开展比较研究。研究团队在象甲可见产卵痕迹出现前预先标记植株，随后在不同发育阶段比较其生长和繁殖性状，并结合植物化学分析、Y形嗅觉仪行为试验和种子萌发试验，考察低强度植食背景下植物—昆虫互作的生态效应。
研究结果表明，在象甲产卵后的首个采样阶段，自然侵染植株与未侵染植株在所测形态和生物量性状上均未检测到显著差异；但在后续发育阶段，两类植株的生长和繁殖表现逐渐出现差异。在生长高峰期，自然侵染植株总生物量约为未侵染植株的2.2倍，果实数量约为其2.1倍。这一阶段性模式表明，在每株通常仅有一个象甲个体发育的低植食负荷下，自然象甲占据可与宿主后期较高的生长和繁殖表现同时存在，与超补偿模式一致。
进一步研究发现，自然侵染植株呈现出不同的化学表型：检测到的3种硫代葡萄糖苷含量较低，挥发性成分中苄基异硫氰酸酯（BITC）相对丰度较低，而苯甲醛的组织含量及挥发物相对丰度较高。Y形嗅觉仪试验显示，雌性象甲对两种候选挥发物的定向反应具有明显的浓度依赖性：在两种气味以相同低浓度直接比较时，响应个体明显偏向BITC；随着浓度升高，雌虫对BITC和苯甲醛均出现回避，其中高浓度苯甲醛的驱避最为明显。这些结果提示，BITC可能更多参与宿主识别和相对吸引，而苯甲醛在较高浓度下可能发挥驱避作用。自然侵染植株中BITC较低而苯甲醛较高的组合，可能改变后续雌虫对已占据植株的识别与选择，进而降低重复产卵和幼虫竞争的概率。此外，两个来源种子批次在不同温度条件下的萌发表现也存在差异，自然侵染植株来源种子批次在部分温度条件下平均萌发水平较高。总体上，超补偿效应的生长繁殖模式与化学表型差异及昆虫行为响应相伴出现。
该研究表明，荒漠植物-植食性昆虫互作的结果具有明显的情境依赖性。在短暂的春季资源脉冲窗口中，低植食负荷、植物发育阶段及宿主耐受策略可能共同影响互作结局。研究为认识荒漠短命植物的植食耐受和超补偿现象提供了新的野外证据，也深化了对极端环境中植物—植食性昆虫互作情境依赖性的认识。未来，研究团队将通过人工控制侵染以及多年、多地点观测，进一步检验上述关联的因果性和普适性；同时将研究拓展至根系资源获取与分配、根际过程及地上—地下协同响应，并结合转录组、代谢组等分子生物学手段，解析超补偿形成和挥发性信号变化的生理与分子基础，进一步验证其对宿主选择、重复产卵以及植物和象甲双方适合度的影响。
图：卷果涩芥与茎蛀象甲的物候同步及象甲在寄主植物内的发育过程
该研究成果以“Evidence for a Potentially Facilitative Interaction Between the Stem-Boring Weevil Lixus ochraceus and the Desert Ephemeral Strigosella scorpioides”为题发表于国际权威期刊《Plant, Cell & Environment》。中国科学院新疆生态与地理研究所博士后张岚和刘会良研究员为论文共同第一作者，张元明研究员为通讯作者。该研究得到新疆维吾尔自治区自然科学基金的支持。
文章链接：https://doi.org/10.1111/pce.70909
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