植物根系如何竞争地下房地产对气候变化和粮食生产的影响

在马德里国家自然博物馆（CSIC）的温室中种植了胡椒植物，以研究它们单独种植或与邻居一起种植时地下行为的差异。

您可能已经观察到了争夺阳光的植物-它们向上和向外伸展以阻止彼此进入太阳光线的方式-但是在看不见的情况下，另一种竞争正在地下发生。当您的同事在场时，您可能会改变在休闲室觅食免费零食的方式，当植物与其他植物一起种植时，它们会改变对地下资源的利用。

在今天发表在科学上的一篇论文中，由普林斯顿大学研究生Ciro Cabalshed领导的一个国际研究人员小组向人们介绍了植物的地下生活。他们的研究结合了建模和温室试验，以发现植物单独种植和与邻居一起种植时在根系结构上的投资是否有所不同。

斯蒂芬·帕卡拉（Stephen Pacala）说：“这项研究非常有趣，因为它结合了几种不同类型的思维糖果，以调和文献中看似矛盾的结果：一个聪明的实验，一种在完整土壤中观察根系的新方法以及简单的数学理论。” Frederick D. Petrie生态学和进化生物学教授（EEB）和该论文的资深作者。

“虽然对植物的地上部分进行了广泛的研究，包括它们可以存储多少碳，但我们对地下部分（即根）如何存储碳的了解却少得多，”博士学位的Cabal说。帕卡拉实验室的学生。“由于全球约三分之一的植被生物量（即碳）在地下，因此我们的模型为预测全球地球系统模型中的根系增殖提供了一种有价值的工具。”

植物根系如何储存碳？普林斯顿大学的研究人员发现，一种植物用于根系的能量取决于与其他植物的接近程度：当彼此靠近时，植物会大量投资其根系，以争夺有限的地下资源。如果相距遥远，他们的投资就会减少。由于全球约三分之一的植被生物量（和碳）在地下，因此该模型为预测全球地球系统模型中的根系增殖提供了一种有价值的工具。在马德里国家自然博物馆（CSIC）的温室中种植了胡椒植物，研究了它们单独种植还是与邻居一起种植时地下行为的差异。将相邻的辣椒植物的根部染成不同的颜色（通过注射），以区分哪些根属于哪个植物。

植物有两种不同的根：细根从土壤吸收水分和养分，粗根运输将这些物质运回植物中心。植物对根的“投资”既涉及根的总产量，也涉及这些根在土壤中的分布方式。一种植物可以将其所有根直接集中在其芽的下面，也可以将其根水平展开以在邻近的土壤中觅食，这有可能与邻近植物的根竞争。

该小组的模型预测了当植物发现自己共享土壤时，根部投资的两个潜在结果。在第一个结果中，相邻植物通过隔离其根系以减少重叠来“合作”，这导致整体上产生的根比单独种植时少。在第二个结果中，当植物感测到由于邻居的存在而一侧的资源减少时，植物会缩短其一侧的根系，但会在其茎正下方的根部进行更多的投资。

自然选择可以预测第二种情况，因为每种植物都会采取行动来提高自身的适应性，而不论这些行动如何影响其他个体。如果植物离得很近，尽管根系分离，增加的根系投资可能会导致公地悲剧，从而耗尽资源（在这种情况下，土壤水分和养分）。

为了检验模型的预测，研究人员将温室中的辣椒植物单独或成对种植。在实验结束时，他们用不同的颜色对植物的根进行了染色，以便他们可以轻松地看到哪些根属于哪一种植物。然后，他们计算了每种植物根系的总生物量以及根与芽的比率，以了解植物是否会改变与邻居并肩种植时沉积在地下和地上结构中的能量和碳含量，并计算出种子产生的种子数量。每种植物作为相对适应性的量度。

研究小组发现结果取决于一对植物之间的距离。如果种植得非常紧密，植物将更有可能在根系上投入大量资金，试图在有限的地下资源上相互竞争。如果将它们分开种植，他们在根系上的投资可能会比单株植物少。

具体来说，他们发现在附近种植辣椒植物后，辣椒植物会增加当地对根的投资，并减少其水平伸展根的距离，以减少与邻居的重叠。没有证据表明存在“公地悲剧”的情况，因为与单独种植的植物相比，与单独种植的地上结构（包括每株植物产生的种子数量）相比，总根生物量或根的相对投资没有差异。 。

植物从大气中除去二氧化碳并将其沉积在其结构中，而这种植物性碳的三分之一存储在根中。了解不同情况下的碳沉积变化如何可以帮助我们更准确地预测碳吸收，进而可以帮助设计缓解气候变化的策略。这项研究还可以帮助优化粮食生产，因为为了最大限度地提高农作物产量，了解如何最佳利用地下（和地面）资源是有帮助的。

参考：Ciro Cabal，RicardoMartínez-García，Aurora de Castro，Fernando Valladares和Stephen W.Pacala的“植物根的剥削性隔离”，2020年12月4日，Science.DOI：
10.1126 / science.aba9877

论文的其他共同作者是里卡多·马丁内斯·加尔西亚（RicardoMartínez-García），他以前是EEB的博士后，现在是南美基础研究所的教授。奥罗拉·德·卡斯特罗（Aurora de Castro）是该项目的一部分，是西班牙国家自然科学博物馆生物地理与全球变化系本科论文的一部分；瑞·胡安·卡洛斯大学生物，地质，物理和无机化学系副教授，西班牙国家自然科学博物馆生物地理与全球变化系研究员费尔南多·瓦拉达雷斯（Fernando Valladares）。

由Ciro Cabal，RicardoMartínez-García，Aurora de Castro，Fernando Valladares和Stephen W. Pacala进行的植物根的剥削性隔离出现在12月4日的科学（DOI：10.1126 / science.aba9877）。这项工作得到了普林斯顿大学五月奖学金的支持，该奖学金来自生态学和进化生物学系； Gordon和Betty Moore基金会（授予GBMF2550.06）； Serrapilheira研究所（授予Serra-1911-31200）;圣保罗研究基金会（ICTP-SAIFR 2016 / 01343-7授予）;中央应急方案（2019 / 24433-0）;西蒙斯基金会；西班牙科学，创新和大学部（COMEDIAS授予CGL2017-83170-R）；以及普林斯顿环境研究所的碳减排计划。