一種新的植物進(jìn)化理論表明，全球4億年的植物群驅(qū)動(dòng)可能不是由我們可以輕易看到的地上特征推動(dòng)的，而是通過地下適應(yīng)性推動(dòng)植物變得更加高效和獨(dú)立。

根據(jù)2月21日在“自然”雜志上發(fā)表的一篇研究報(bào)告，由于植物物種從其營養(yǎng)豐富的熱帶開始向北和向南蔓延，其根部的細(xì)尖端變得更窄，更廣泛，以幫助它們探索越來越貧瘠的土壤中的重要營養(yǎng)素。普林斯頓大學(xué)和中國科學(xué)院(CAS)的研究人員在北京。此外，隨著植物蔓延到干旱沙漠等不可預(yù)測(cè)的環(huán)境中，它們對(duì)共生真菌或菌根的依賴性越來越小，它們根系定植并幫助寄主植物獲得必需的植物營養(yǎng)素氮和磷。

相應(yīng)的作者Lars Hedin，George M. Moffett生物學(xué)教授兼生態(tài)與進(jìn)化生物學(xué)教授和普林斯頓環(huán)境研究所的研究人員說，研究結(jié)果重新考慮了植物如何適應(yīng)新環(huán)境。他說，科學(xué)家過去一直關(guān)注地上特征，主要是葉片性狀和植物吸收陽光進(jìn)行光合作用的效率。

相反，Hedin說，他和他的同事們第一次發(fā)現(xiàn)，根直徑和對(duì)真菌的依賴 - 或者缺乏真菌 - 是整個(gè)生物群落中植物群落最為一致的特征，這些生物群落是大型獨(dú)特的動(dòng)物群落。植物，如沙漠，溫帶森林或稀樹草原。

“這些是植物長(zhǎng)期用來接管世界的秘密策略，”Hedin說。“我們的目標(biāo)是解開對(duì)這些策略的理解，我們的研究結(jié)果為植物進(jìn)化提供了一種全新的全球理論。隱藏在地下的是一場(chǎng)極其適合生存的游戲，我們很幸運(yùn)擁有了第一個(gè)該游戲科學(xué)的觀點(diǎn)。

“這項(xiàng)工作對(duì)保護(hù)和我們對(duì)植物世界的管理具有重大意義，”Hedin繼續(xù)說道。“它提供了植物生存和傳播的一些隱藏的，地下規(guī)則。在全球規(guī)則對(duì)建立氣候模型和理解生物圈至關(guān)重要的時(shí)候，它是植物進(jìn)化的全球觀點(diǎn)。”

普林斯頓大學(xué)的第一作者，Hedin研究小組的研究生Mingzhen Lu說，如果根特性確實(shí)能確定植物抵御特定環(huán)境的能力，這些發(fā)現(xiàn)可能對(duì)保護(hù)瀕危物種或預(yù)測(cè)植物如何適應(yīng)氣候具有重要意義。更改。

“我們的研究結(jié)果簡(jiǎn)化了我們?nèi)绾螌?shí)際描述植物獲取營養(yǎng)素的策略，”Lu說。“了解其潛在的營養(yǎng)策略將有助于我們了解如何保護(hù)它們，或者了解它們能夠或不能存活的條件。”

愛達(dá)荷大學(xué)自然資源學(xué)院Thomas Reveley教授兼院長(zhǎng)Kurt Pregitzer表示，這項(xiàng)工作在打擊入侵物種方面特別有用，入侵物種在高度流動(dòng)的世界中對(duì)生物多樣性的威脅越來越大。Pregitzer對(duì)這項(xiàng)研究很熟悉，但沒有發(fā)揮作用。

“入侵物種導(dǎo)致本地植物大規(guī)模遷移，并在全球范圍內(nèi)產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)影響，”Pregitzer說。“這項(xiàng)研究可能會(huì)開辟全新的科學(xué)研究線索，幫助我們更好地了解入侵植物根系如何幫助這些外來物種勝過本土植物。”

在大自然紙是它的規(guī)模和科學(xué)的方法仔細(xì)應(yīng)用獨(dú)特，Pregitzer說。“這項(xiàng)研究首次在廣泛的陸地環(huán)境中進(jìn)行，它表明植物物種已經(jīng)進(jìn)化出相應(yīng)的家族，屬和物種中保守的根系策略，”他說。“這些根系性狀可能有助于植物在競(jìng)爭(zhēng)激烈的自然生態(tài)系統(tǒng)中取得成功。”

研究人員花了兩年時(shí)間研究了一個(gè)獨(dú)特的大型根系性狀數(shù)據(jù)庫，其中包括來自七個(gè)生物群落的369種：沙漠，草原，地中海，北方，溫帶，亞熱帶和熱帶。

這些數(shù)據(jù)是在最近共同作者，中國科學(xué)院地理科學(xué)與自然資源研究所教授Dali Guo的實(shí)驗(yàn)室中編寫的。第一作者馬澤清是郭氏實(shí)驗(yàn)室的研究員，合著者徐祥良是郭氏的同事。該論文的共同作者還包括英國曼徹斯特大學(xué)生態(tài)學(xué)教授Richard Bardgett。賓夕法尼亞州立大學(xué)木本植物生理學(xué)教授David Eissenstat;和明尼蘇達(dá)大學(xué)的研究助理M. Luke McCormack。

研究人員發(fā)現(xiàn)，熱帶和亞熱帶生物群落中的植物表現(xiàn)出最大的直徑范圍，最細(xì)的根尖用于營養(yǎng)，從小于0.25毫米到1毫米。這些根莖較厚的植物采用了作者稱之為“保守”的策略 - 類似于地球上最早的陸地植物 - 它依賴于潮濕，溫暖的熱帶和亞熱帶土壤中普遍存在的土壤真菌來提供營養(yǎng)。研究人員將持續(xù)悶熱環(huán)境中營養(yǎng)豐富的土壤稱為“可預(yù)測(cè)的”。

同時(shí)，“不可預(yù)測(cè)的”生物群落的細(xì)根直徑，其特征是土壤貧瘠，冬季寒冷和/或不經(jīng)常降水，屬于該環(huán)境的理想范圍。例如，所研究的沙漠和草地物種的根直徑均小于0.25毫米。這些生物群落中的根尖變得更薄，因此它們可以更有效地探索植物消耗的每單位碳的土壤，并且它們對(duì)共生真菌的依賴性更小。

Lu說，研究人員使用的大量數(shù)據(jù)使他們能夠以前所未有的程度探索植物根系的進(jìn)化。“由于缺乏數(shù)據(jù)，”地下植物生態(tài)學(xué)得到了充分的研究，“他說。“正因?yàn)槿绱?，?duì)地下發(fā)生的事情的管理規(guī)則一直很少有人知道。”

“到目前為止，”Hedin補(bǔ)充說，“每個(gè)人都很自然地試圖通過觀察地上特征來了解植物是如何組織的。但我們的研究結(jié)果并沒有遵循地上理論 - 這是一個(gè)驚喜。”

Pregitzer說，研究表明根和葉的進(jìn)化遵循不同的路徑。植物生態(tài)學(xué)家已經(jīng)知道，葉子的形態(tài)和功能對(duì)植物物種的成功至關(guān)重要，但“我們不知道植物根系的多樣性是否真實(shí)，”他說。

“有趣的是，人們對(duì)植物根系如何進(jìn)化以促進(jìn)其原生棲息地的成功知之甚少，”Pregitzer說。“現(xiàn)在我們知道葉子和根系已經(jīng)對(duì)不同的進(jìn)化選擇壓力做出了反應(yīng)，我們可以開始更好地理解根形態(tài)和功能如何在我們?cè)诘厍蛏峡吹降木薮笊锒鄻有灾型苿?dòng)植物成功。”

Hedin說，研究結(jié)果與普林斯頓大學(xué)探索的觀點(diǎn)一致，這些觀點(diǎn)認(rèn)為植物 - 而不是其環(huán)境的被動(dòng)特征 - 已經(jīng)積極地適應(yīng)并塑造了它們的環(huán)境。他是2015年自然植物論文的高級(jí)作者，該論文提出生態(tài)系統(tǒng)采取各種形式，因?yàn)橹参锏男袨榉绞讲粌H有益于自身，還決定了棲息地的生產(chǎn)力和組成。

“在進(jìn)化時(shí)期，植物似乎積極探索保護(hù)自身生存的最佳策略，”Hedin說。他和盧將這種觀點(diǎn)帶到了他們?cè)贑AS的同事們的數(shù)據(jù)庫中。

“我們從工廠的角度理解如何將進(jìn)化問題帶入他們獨(dú)特的全球數(shù)據(jù)集中，”Hedin說。“正是這種偉大的合作，我們將新的想法與多年艱苦的實(shí)地工作相結(jié)合，以產(chǎn)生這一偉大的成果。沒有雙方都不會(huì)發(fā)生這種情況。”

論文“進(jìn)化史解決了根功能特征的全球組織”，由Nature2月21日在線發(fā)表。