一株生长在阳光充足的山坡上的奇特开花植物

世界上最细的根是生态竞争中的“地下武器”

2月. 14, 2022, 3 p.m.

GPK电子的佬司赫定和Mingzhen陆领导的研究人员发现,来自南非Fynbos生物群植物的根在地下工作,为潜在的入侵物种创造了悲惨的环境. 高度多样化的Fynbos包括超过7000种植物(像这样 Leucadendron strobilinum).

GPK电子大多数人只想到植物很容易看到的部分——茎, 花, 叶子——但在《GPK电子》上发表的一项新研究中, GPK电子的生态学家 佬司赫定Mingzhen陆 表明南非灌木丛下隐藏的根系蕴含着一个生物学难题的答案.

4名研究人员与一辆汽车合影

从左起:Thaaqirah Joseph, Mingzhen陆, 基南·大卫斯和林德尔·斯沃茨在西开普省的杨克舒克自然研究中摆姿势拍照, 南非. “GPK电子在南非的研究依赖于与南非科学家和支持人员发展深厚和长期的关系,”赫定说, GPK电子生态和进化生物学系主任. “这是GPK电子在全世界更大的科学家群体中开展科学研究的一个重要组成部分."

“在过去的4亿年里, 自从植物从海洋迁移到陆地, 根一直是推动水循环的发动机, 养分循环, 碳循环, 在世界范围内,”陆说, 这项新研究和2018年生态学与进化生物学博士论文的主要作者.D. 他现在是圣达菲研究所的奥米迪亚复杂性研究员.

GPK电子的乔治·M·赫丁说. 莫菲特生物学教授, 他是欧洲经济学院的系主任,也是高草甸环境研究所的教授, 他更进一步说:“这些是世界上最细的根, 它们基本上掌握着生物群落规模上生物多样性的秘密.”

给花园除草的人都知道,根茎比线或人的头发还要细. 陆发现的根, Hedin和他们来自开普敦大学的同事们, 南非观测网, 耶路撒冷希伯来大学和中国科学院, 得多, 要细得多——细得出奇,长得出奇,一根长达15个足球场的根仅重1克, 和回形针一样. 

草地之间的带状森林

长期以来,生物学家一直在争论Fynbos灌木林地和非洲温带森林之间的尖锐边界,它们在南非这个全球生物多样性热点地区的同一块贫瘠土壤上并肩生长.

这些根构成了Fynbos生物群的基础, 南非的一片干旱的灌木丛,是世界上除热带地区外生态最丰富的生物群落, 超过7个,000种不同的植物, 其中绝大多数在其他地方都不存在. 这是一个长期存在的生物学之谜, 在非洲温带森林生物群落中,Fynbos与参天大树并肩生存,而这些参天大树的多样性只有它们的十分之一. 

卢描述了灌木丛和森林生物群落之间惊人的界限:“在夏天, 你在Fynbos被太阳烤焦了, 然后你向森林里迈了一步, 你被凉爽的湿气吞没,你看到树上的苔藓,”陆说. “这就像一个二进制开关,从0到1. 嘣,你进入了另一个世界.”

100多年来,生态学家一直在争论是什么产生了这些截然不同的生态系统. 这种清晰的轮廓更令人费解,因为这两个生物群落有着共同的地质特征以及相同的气候和天气条件. 为了回答这个问题, 研究人员进行了为期四年的实验, 他们在40个小块土地上操纵土壤养分和森林幼苗与当地Fynbos植物群落竞争的能力. 

他们发现,这两个生物群落在相同的环境条件下以交替的稳定状态存在. 

“有些系统可以以不同的状态存在——比如水和冰,”Hedin说. “这使得它们作为戏剧性变化的模型特别有趣,因为它们可以根据扰动从一种状态切换到另一种状态, 在一个受到气候变化压力的世界里,哪一个问题尤为紧迫.”

在这种环境下,非常细的根是一种竞争策略. 它们让坚韧但美丽的Fynbos植物在世界上最贫瘠的土壤——几乎纯净的石英砂上茁壮成长. 

Hedin在描述Fynbos地区的生态竞争时,引用了GPK电子在博弈论领域丰富的历史.

GPK电子将博弈论的原理引入生物系统, 这可以解释生物多样性模式的出现,”他说. “这里的新奇之处在于,根——世界上最细的根——实际上在这场游戏中扮演了核心角色. 因为如果你有他们,而我试图入侵, 用我粗壮的根, you will capture every nitrogen atom before I can; 和 there's not many of them in this soil to start with. 并不是只有一种物种这样做, 但整个社区都在用这种策略发展, 使土壤变得非常贫瘠,其他生物都无法生存.”

“这篇论文开创了惊人的新局面,威廉·邦德说, 开普敦大学生物科学教授和合著者. “GPK电子现在看到,这不是土壤固有的属性, 但植物对土壤的反馈却给树苗带来了痛苦. Fynbos的细根是地下武器,为需要营养的森林植物创造了悲惨的环境. 爱丽卡的根分布在15个足球场, 与仅分布在一片土地上的森林树根相比, 这是否生动地说明了根的几何形状如何从根本上影响地下养分的获取.”

除了根的好处, Fynbos也倾向于频繁出现, 炽热的大火燃烧了土壤中积累的养分. 研究人员确定,大火已经周期性地燃烧了数百万年, 而且Fynbos植物已经进化出了适应火灾的方式. 大多数Fynbos物种对它们的主要生活事件进行计时——开花, 种子传播或发芽-由火引起的条件. 

The forest trees have very different properties focused on fire resistance; regeneration of forest trees is set back by fires, 从来没有提升. 地下的营养囤积策略与亲火适应相结合,使得Fynbos植物群落通过改变环境来维持自身的生存. 在生物群的另一边,森林也在做着同样的事情.

Hedin和Lu之前的研究已经深入研究了植物通常不可见的策略,以确保自己的优势地位, 是什么产生了支持地球上各种植物和动物物种的马赛克生物群落. 他们在2019年发表了一篇论文 提出了世界范围内森林的组织是基于古老的关系,植物物种与土壤微生物建立了关系,提高了营养物质的吸收. A 他们在2018年发表了新的植物进化理论 这表明,在4亿年的时间里,植物群在全球范围内的迁移可能是由地下根系的适应性推动的,随着热带地区南北土壤质量的下降,地下根系的适应性使植物变得更加高效和独立. 

发表在《GPK电子》(PNAS)上的新发现表明,可通过生物机制维持另一种稳定状态, 比如争夺稀有资源的根, 除了众所周知的非生物因素,比如气候和潜在的地质因素. 研究人员指出,这种认识对于保护世界各地受到威胁的生态系统至关重要.

“作为人类,GPK电子认为越大越好,”Hedin说. “‘尽可能地高效.“竞争使树木长得更大。.这推动了一个多世纪的生物学理论. GPK电子的研究表明,这里有一种完全不同的策略, 这取决于你对环境的掌控. 保持土壤贫瘠,烧掉任何试图积累的养分. 我的意思是,这些植物没有大脑,但在进化过程中,这是一种有效的策略.”

世界最细根植物群落的地下资源竞争维持着群落边界卢明珍(Mingzhen陆), William J. Bond, Efrat Sheffer, Michael D. 克莱默,亚当克. 韦斯特,尼基·奥尔索普,埃德蒙·C. 2月,Sampson Chimphango, Zeqing Ma, Jasper A. Slingsby和Lars O. Hedin发表在最新一期的《GPK电子》(DOI: 10.1073 / pnas.2117514119). 该研究由Andrew W. 梅隆基金会, GPK电子皮特里奖学金和圣达菲研究所奥米迪亚奖学金.

圣达菲研究所的Aaron Sidder对这个故事有贡献.

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