元素防御假说认为重金属被植物吸收并富集在体内后可以在一定程度上增强植株的抗虫性。但是有研究发现植物雌雄植株对重金属的耐受程度和富集系数均有显著差异，那么该性别差异性是否会导致雌雄植株间抗虫性出现显著区别还尚未见诸报道。近日，这一科学问题首次被林学院森保系林恬恬副教授的课题组进行了解答，其研究成果“Sexual differences in above- and belowground herbivore resistance between male and female poplars as affected by soil cadmium stress”（镉胁迫对雌雄杨树抗地上和地下害虫的差异性影响）在线发表于环境科学与生态学领域的国际知名期刊Science of The Total Environment（《总环境科学期刊》，中科院1区TOP, IF=7.963）上。该论文以林恬恬副教授为第一作者，森保系本科生唐嘉瑶和何方副教授为共同第一作者，生态所陈良华副教授为通讯作者，四川农业大学为唯一完成单位。

为了验证该科学问题，本研究采用了亲本一致的美洲黑杨雌雄植株作为研究材料，通过测试土壤镉处理下美洲黑杨雌雄植株对四种食叶害虫（包括两种专食性昆虫和两种广食性昆虫）和一种地下害虫（蛴螬）幼虫的生长发育和取食选择的影响，探究了镉胁迫下不同性别杨树植株间的抗虫性差异及导致该差异的原因。研究结果发现，镉处理下杨树雄性植株可以显著抑制四种食叶害虫的生长发育和取食选择，而雌性植株则明显降低了地下害虫蛴螬的生长量。在随后的基因表达测试中，研究人员通过荧光定量PCR的方法检测了16个在植株叶片和根系内参与镉积累，转运和解毒的相关基因，发现在镉胁迫下雄株叶片和雌株根系中的基因上调数量较多，这也解释了为什么本研究发现杨树雄株叶片和雌株根系比另一性别富集的镉更多。因此，研究人员推测雌雄植株这一抗虫性差异可能是由于雌雄植株在叶片和根系中镉富集量的差异性所导致。

值得一提的是，林恬恬课题组前期在针对“元素防御假说”研究上已经开展了较为深入的探索，首次验证了该假说在木本植物上的适用性，相关研究成果先后发表于中科院大类TOP期刊《Chemosphere》《Ecotoxicology and Environmental Safety》和《Journal of Environmental Management》上。而本研究则是与林学院林学系何方副教授及林业生态研究所陈良华副教授合作，首次从雌雄杨树的性别差异这一创新性研究角度入手开展的交叉学科研究内容。这一结果不仅可以为在重金属污染地区开展植物修复的木本植物性别的选择提供科学依据，还对于预测雌雄异株植物生长在重金属污染地区的自然种群的性别比例、空间分布、生殖格局以及虫害发生程度等方面的变化具有重要的理论意义。此外，该研究得到国家自然科学基金青年项目(32001204)、四川省科技厅（2021YFYZ0032）和大学生创新创业计划（202010626030）资助。

全文链接：https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2021.150081