Nature：根系是如何幫助植物走向世界的？

植物登陸以來，其根系形成了不同的形態和功能來適應環境。近年來對植物功能性狀的研究得到了葉經濟譜的概念，但是這種性狀間的組合（organization）是否在根系中也存在卻不清楚。主要原因是根系的取樣困難導致了數據的缺乏。相比葉片而言，根系需要競爭更多的地下資源，而且這些資源在空間上變異非常大。這使人想到一些基本問題，根系性狀在物種水平上如何變異呢，隨著環境的變化根系又進化出怎樣的適應策略呢？中美兩國科學家通過十多年的數據收集，研究了不同植物類群間根系功能性狀的變異，並在全球尺度上研究了不同生物群系之間根系性狀的適應性。研究結果於近日發表在Nature 上上。

研究方法：

在全球7個生物群系中收集了369種植物（熱帶森林，亞熱帶森林，溫帶森林，草原，沙漠，地中海地區，寒帶森林）；在每個生物群系中，採集能代表當地植物群落的本土植物。

2. 研究了10種植物根系的功能性狀（根系大小、比根長、根系長度、根系密度、含氮量、含碳量、氮吸收速率、根細壽命、碳氮比、菌根侵佔率），所有性狀只關注第一級根系。

研究結果

氮是根系生理代謝的重要元素，作者先研究了根系含氮量是否能夠解釋性狀的變異。因為在植物葉經濟譜中，含氮量能解釋葉片性狀的變異。例如，葉片含氮量高的葉片通常具有短的壽命和高的比葉面積，

結果表明：

1. 和葉經濟譜不同，根系含氮量不是根系性狀變異的主要因素；根系性狀的變異主要受根系大小、根系構建成本有關性狀、菌根的侵染程度影響。

2. 和葉片性狀不同（葉片的含氮量通常和比葉面積相關），根系含氮量並不和比根長（SRL）相關。

3. 根系的氮吸收效率並不和根系的直徑、生活型、SRL相關聯。這些結果表明，和光照 / CO2對於葉片的重要性來說，氮素對於根系覓食並不那麼關鍵；根系壽命主要和根系的大小（正）和比根長（負）相關，分別解釋了14 %和16 %的方差變異。

4. SRL和根系直徑（D）呈幾何非線性關係，其方程式為SRL = 16.8 / (πD2)，表明隨著根系變小，根系單位重量碳投入後對土壤利用體積的顯著增加。在SRL-D關係中，木本植物主要分布一個直徑和SRL沒有顯著關係的區間，但草本植物卻處於一個直徑輕微變化就會導致SRL顯著變化的區間。

5. 就草本植物而言，根系密度的輕微變化也會引起SRL的激烈變化，由此推測在進化過程，根系會通過密度和大小來影響SRL，增加對資源的獲取。

6. 分析根系大小和物種進化時間發現，粗根植物多起源於古老的類群，而細根植物多屬晚期分化的物種，整體而言，隨著根系直徑變小，共生菌的侵佔率降低；草本植物比木本植物的侵佔率平均低30 %左右，草本植物的根系密度也平均比木本植物低於33 %。

7. 基於譜系獨立的分析也表明，譜繫結構解釋根系大小、SRL和菌根的變異，但譜系卻不能解釋根系的化學組分的變異，說明根系化學組分主要受生態環境而不是進化歷史的驅動。

8. 分析不同生物群系根系大小變異發現，熱帶地區植物根系的變異比較小，而在寒溫帶和沙漠地區，根系大小變異比較大；在季節性變化明顯的生物群系中，主要分布細根型的木本植物，而草本植物的根系大小不隨生物群系而改變。

9. 熱帶地區有更多粗根植物，依賴菌根增加對養分吸收，而在沙漠和溫帶地區，根系較小，主要依賴細小的根系增加養分的吸收。

這種性狀的變化是和生物群系的進化歷史和環境條件相適應的。熱帶地區水熱條件穩定，同時也被認為屬於進化原始的生物群系，因此保留有更多的原始植物類型，在此區域植物根系壽命較長，多為粗根，以菌根增加對養分的吸收，表現出保守型覓食策略，而溫帶和沙漠屬於進化較晚的生物群系，同時環境變化激烈，生活在該區域的植物傾向於發展形成細根植物，減少了對菌根的依賴，通過快速周轉增加對環境的適應性，表現出貪婪型覓食策略。

https://www.newphytologist.org/news/view/178

參考文獻：Maet al.,Evolutionary history resolves global organization of root functional traits.

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