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中美研究发现根系在植物进化中关键推动作用
发表日期: 2018-04-08 作者: 马泽清等 文章来源:《自然》
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种类繁多、多姿多彩的植物让我们生活的地球更加美丽,也是人类赖以生存的重要基础。在漫长的地球历史中,植物不断适应着环境,发展出了39万余个植物物种。它们的进化历程,让无数植物学家和生态学家为之着迷。

长期以来,关于植物进化的理论框架主要集中在叶片、花等地上部分,但对于地下部分的根系结构和功能组织方式,人们知之甚少。

最近,中国科学院地理科学与资源研究所与美国普林斯顿大学的一项合作研究发现,隐藏在地下的植物根系,可能在植物进化和适应过程中起着更为关键的推动作用。近日在线出版的《自然》杂志报道了这一成果。

植物登陆的“腿”

植物的生长离不开水。实际上,最早的植物,如藻类、苔藓等,都是生活在水里的。那究竟是什么让植物最终“迈”上了陆地呢?

“根是植物登陆的关键,真正的根的出现和演化很可能推动了全球39万种高等植物的进化。”论文第一作者、中科院地理资源所助理研究员马泽清说,根是植物养分和水分获取的主要的营养器官,其进化时间可能晚于茎和叶,但在实际功能上,很有可能是植物生存和传播、进入不同生物群区的重要因素。

植物在4亿年前普遍矮小,真正的叶片未形成。根也不是真正的根,菌根菌可能与一些根细胞建立了共生关系,初期也许只有几十种差异不太大的植物,主要生活在沼泽地。

植物登陆以来,其根系在形态和功能上都发生了多样的分化。但如何用一种统一的理论解释根系对植物适应环境的作用,一直是生态学家关注的热点和难点。

“独立”之路

基于长期的野外调查取样,以论文共同通讯和第一作者、中科院地理资源所研究员郭大立为首的国际根系研究团队,经过15年的不断积累,从全球7个生物群区收集了369种植物,选择生理代谢最强的一级根,分析了它们的10个功能性状,以期系统阐释吸收根的生物地理格局。

随着研究的深入,一种新的植物进化理论展现在他们眼前:在长达4亿年的进化过程中,植物的地下根系很可能在以一种更加高效、独立的适应方式,为不同植物“制定”了不同的养分、水分吸收策略,从而推动植物的进化历程。

在湿润多雨的热带雨林,植物的根不怎么“考虑”水分供应的安全性,各种各样的根系都在这里肆意生长,它们也更愿意与一些共生真菌共同生活,互相“帮衬”。在这一区域,很多非常古老的物种属性得以保存,根系的多样性很高。

但在水分紧缺的草原和荒漠地区,情况则完全不同。植物的根尖变得更细,这有利于它们深入到贫瘠的土壤里,获取重要的营养物质。由于这些地区的环境不可预知性很强,资源供应也不稳定,根系还减少了对共生真菌的依赖,变得更加“独立”。

“这些地区的植物非常‘斤斤计较’,它们不断优化着自己的‘投资效率’,更加高效地抓住稍纵即逝的养分和水分资源,促进了物种的传播和扩散。”马泽清说,“迫于环境的压力,这些地方的植物的根系大都比较相似,多样性很低。”

此外,根的形态区别还存在于木本植物和草本植物之间。木本植物根直径相对较粗,组织密度略高,因而寿命长;而草本植物组织密度较低,构建成本低,寿命短。

植物的秘密生活

根据上述发现,研究人员认为,植物的根系有两种生存策略:一种为保守策略,体现为粗根物种和共生菌根共同获取资源;另一种为机会主义策略,物种可以快速增殖较细的吸收根,从而高效获取不稳定的土壤水分和养分。

至此,一个以前可能被大家忽略的真相也浮出水面——植物地下根系结构的变化,为植物开拓新的栖息地发挥了重要作用,最终促进了植物物种的生物多样性。

“这些就是植物长期接管世界的秘密策略。”论文共同第一作者、普林斯顿大学教授Lars Hedin说,“我们的发现为植物进化提供了全新的全球理论。隐藏在地下的是一场巨大的适者生存的游戏,我们很幸运能够有史以来第一次揭开该游戏的科学观。”

这项工作解开了植物生存和传播的一些隐藏的“潜规则”,对人类建立气候模型、理解生物圈至关重要,也对更好地管理植物世界具有重要意义。这个理论也解释了为什么古老的粗根物种在进化史被逐渐淘汰,以及一些细根的物种具有较强的入侵性,粗根的物种则很难入侵。这些知识将在生态保护工作中得以应用。

值得一提的是,这项成果凝结了郭大立毕生对根系结构和功能的探索。但令人扼腕的是,在论文发表之际,郭大立因病与世长辞。

“未来,我们会在郭大立老师研究的基础上继续寻‘根’问‘道’,深入理解不同生物群区的根和共生真菌如何影响生态系统的功能。”马泽清表示。(来源:中国科学报 丁佳)

 

Evolutionary history resolves global organization of root functional traits

 

Abstract  Plant roots have greatly diversified in form and function since the emergence of the first land plants1,2, but the global organization of functional traits in roots remains poorly understood3,4. Here we analyse a global dataset of 10 functionally important root traits in metabolically active first-order roots, collected from 369 species distributed across the natural plant communities of 7 biomes. Our results identify a high degree of organization of root traits across species and biomes, and reveal a pattern that differs from expectations based on previous studies5,6 of leaf traits. Root diameter exerts the strongest influence on root trait variation across plant species, growth forms and biomes. Our analysis suggests that plants have evolved thinner roots since they first emerged in land ecosystems, which has enabled them to markedly improve their efficiency of soil exploration per unit of carbon invested and to reduce their dependence on symbiotic mycorrhizal fungi. We also found that diversity in root morphological traits is greatest in the tropics, where plant diversity is highest and many ancestral phylogenetic groups are preserved. Diversity in root morphology declines sharply across the sequence of tropical, temperate and desert biomes, presumably owing to changes in resource supply caused by seasonally inhospitable abiotic conditions. Our results suggest that root traits have evolved along a spectrum bounded by two contrasting strategies of root life: an ancestral ‘conservative’ strategy in which plants with thick roots depend on symbiosis with mycorrhizal fungi for soil resources and a more-derived ‘opportunistic’ strategy in which thin roots enable plants to more efficiently leverage photosynthetic carbon for soil exploration. These findings imply that innovations of belowground traits have had an important role in preparing plants to colonize new habitats, and in generating biodiversity within and across biomes.

 

原文链接:https://www.nature.com/articles/nature25783.pdf

 


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