自然条件下,外来植物的入侵常受到地上生物（如危害植物地表组织的昆虫、病原菌,以及昆虫捕食性或寄生性天敌等）和地下生物（如危害植物根系的昆虫、病原菌、线虫等,以及其他土壤生物）的调控,且地上地下生物可以通过植物进行间接相互作用。过去20多年中,植物介导的地上地下生物相互作用已逐渐成为生态学和入侵生物学研究的一个热点问题。课题组前期研究发现食叶昆虫（莲草直胸跳甲Agasicles hygrophila和虾钳菜披龟甲Cassida piperata）与土壤生物（包括土壤微生物和南方根结线虫Meloidogyne incognita）可以通过入侵植物空心莲子草（Alternanthera philoxeroides）和本土同属植物莲子草（Alternanthas sessilis）相互作用,且两种植物介导的地上地下生物间相互作用存在差异。但两种植物介导的地上地下生物互作的机制及其纬度梯度格局尚不清楚。有鉴于此,本论文综合温室实验和纬度梯度野外调查,结合植物代谢组学和土壤微生物组学分析、课题组前期微生物组数据和代谢组的关联分析等,从代谢组学角度探讨了地上和地下生物间相互作用的化学机制,探究了地上和地下生物间相互作用及植物对两者的抗性随纬度变化规律。结果发现:1)被食叶昆虫取食后,入侵植物和本土植物叶片和根际代谢组均发生变化,且具有物种和组织特异性。昆虫取食后,入侵植物叶片糖类、黄酮、多酚等次生代谢物含量升高,根部吲哚类似物、糖类、花青素含量升高;本土植物叶片醇类、甾体类、萜烯类含量升高,吲哚类、酚酰胺类、脂类、多酚类含量降低,根部花青素、黄酮醇、酚酰胺、多酚类物质含量升高,黄酮、异黄酮、脂类等物质含量降低;2)食叶昆虫取食改变了植物根际真菌和细菌群落结构,尤其是提高或降低了部分真菌和细菌OTU（Operational Taxonomic Units）的数量;土壤真菌组成和植物根际分泌物组成相关,且部分分泌物含量和特性真菌或细菌OTU发生量存在显著的正或负相关关系;3)随纬度升高,植物群落和土壤真菌群落多样性均逐渐显著降低。食叶昆虫取食强度与地下真菌群落丰富度呈显著正相关,但无明显纬度格局。4)本土植物对根结线虫的抗性随纬度升高显著降低,而入侵植物对根结线虫的抗性无明显纬度格局变化规律。本土植物对昆虫的抗性随纬度升高而升高,而入侵植物对昆虫的抗性不存在明显的纬度变化规律。此外,无论入侵植物或本土植物,其昆虫抗性与线虫抗性间均不存在显著相关性。这些发现表明:植物代谢组（尤其是根际分泌物组成）对食叶昆虫和土壤生物（尤其是微生物组）间相互作用具有调控作用;随纬度升高,食叶昆虫丰富度和对植物的危害水平均逐渐降低,后者可能影响植物根际真菌丰富度;随纬度梯度,伴随生物环境或非生物环境的变化,植物对昆虫和土壤生物（如土壤线虫）的防御逐渐降低或升高。这些发现为从地上地下生物互作关系角度,探讨植物入侵机制及其对气候变化的响应提供了思路。