中美合作研究發(fā)現(xiàn)根系在植物進(jìn)化中的關(guān)鍵推動(dòng)作用

　　種類繁多、多姿多彩的植物讓我們生活的地球更加美麗，也是人類賴以生存的重要基礎(chǔ)。在漫長的地球歷史中，植物不斷適應(yīng)著環(huán)境，發(fā)展出了39萬余個(gè)植物物種。它們的進(jìn)化歷程，讓無數(shù)植物學(xué)家和生態(tài)學(xué)家為之著迷。

　　長期以來，關(guān)于植物進(jìn)化的理論框架主要集中在葉片、花等地上部分，但對(duì)于地下部分的根系結(jié)構(gòu)和功能組織方式，人們知之甚少。

　　最近，中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所與美國普林斯頓大學(xué)的一項(xiàng)合作研究發(fā)現(xiàn)，隱藏在地下的植物根系，可能在植物進(jìn)化和適應(yīng)過程中起著更為關(guān)鍵的推動(dòng)作用。近日在線出版的《自然》雜志報(bào)道了這一成果。

　　植物登陸的“腿”

　　植物的生長離不開水。實(shí)際上，最早的植物，如藻類、苔蘚等，都是生活在水里的。那究竟是什么讓植物最終“邁”上了陸地呢？

　　“根是植物登陸的關(guān)鍵，真正的根的出現(xiàn)和演化很可能推動(dòng)了全球39萬種高等植物的進(jìn)化。”論文第一作者、中科院地理資源所助理研究員馬澤清說，根是植物養(yǎng)分和水分獲取的主要的營養(yǎng)器官，其進(jìn)化時(shí)間可能晚于莖和葉，但在實(shí)際功能上，很有可能是植物生存和傳播、進(jìn)入不同生物群區(qū)的重要因素。

　　植物在4億年前普遍矮小，真正的葉片未形成。根也不是真正的根，菌根菌可能與一些根細(xì)胞建立了共生關(guān)系，初期也許只有幾十種差異不太大的植物，主要生活在沼澤地。

　　植物登陸以來，其根系在形態(tài)和功能上都發(fā)生了多樣的分化。但如何用一種統(tǒng)一的理論解釋根系對(duì)植物適應(yīng)環(huán)境的作用，一直是生態(tài)學(xué)家關(guān)注的熱點(diǎn)和難點(diǎn)。

　　“獨(dú)立”之路

　　基于長期的野外調(diào)查取樣，以論文共同通訊和第一作者、中科院地理資源所研究員郭大立為首的國際根系研究團(tuán)隊(duì)，經(jīng)過15年的不斷積累，從全球7個(gè)生物群區(qū)收集了369種植物，選擇生理代謝最強(qiáng)的一級(jí)根，分析了它們的10個(gè)功能性狀，以期系統(tǒng)闡釋吸收根的生物地理格局。

　　隨著研究的深入，一種新的植物進(jìn)化理論展現(xiàn)在他們眼前：在長達(dá)4億年的進(jìn)化過程中，植物的地下根系很可能在以一種更加高效、獨(dú)立的適應(yīng)方式，為不同植物“制定”了不同的養(yǎng)分、水分吸收策略，從而推動(dòng)植物的進(jìn)化歷程。

　　在濕潤多雨的熱帶雨林，植物的根不怎么“考慮”水分供應(yīng)的安全性，各種各樣的根系都在這里肆意生長，它們也更愿意與一些共生真菌共同生活，互相“幫襯”。在這一區(qū)域，很多非常古老的物種屬性得以保存，根系的多樣性很高。

　　但在水分緊缺的草原和荒漠地區(qū)，情況則完全不同。植物的根尖變得更細(xì)，這有利于它們深入到貧瘠的土壤里，獲取重要的營養(yǎng)物質(zhì)。由于這些地區(qū)的環(huán)境不可預(yù)知性很強(qiáng)，資源供應(yīng)也不穩(wěn)定，根系還減少了對(duì)共生真菌的依賴，變得更加“獨(dú)立”。

　　“這些地區(qū)的植物非常‘斤斤計(jì)較’，它們不斷優(yōu)化著自己的‘投資效率’，更加高效地抓住稍縱即逝的養(yǎng)分和水分資源，促進(jìn)了物種的傳播和擴(kuò)散。”馬澤清說，“迫于環(huán)境的壓力，這些地方的植物的根系大都比較相似，多樣性很低。”

　　此外，根的形態(tài)區(qū)別還存在于木本植物和草本植物之間。木本植物根直徑相對(duì)較粗，組織密度略高，因而壽命長；而草本植物組織密度較低，構(gòu)建成本低，壽命短。

　　植物的秘密生活

　　根據(jù)上述發(fā)現(xiàn)，研究人員認(rèn)為，植物的根系有兩種生存策略：一種為保守策略，體現(xiàn)為粗根物種和共生菌根共同獲取資源；另一種為機(jī)會(huì)主義策略，物種可以快速增殖較細(xì)的吸收根，從而高效獲取不穩(wěn)定的土壤水分和養(yǎng)分。

　　至此，一個(gè)以前可能被大家忽略的真相也浮出水面——植物地下根系結(jié)構(gòu)的變化，為植物開拓新的棲息地發(fā)揮了重要作用，最終促進(jìn)了植物物種的生物多樣性。

　　“這些就是植物長期接管世界的秘密策略。”論文共同第一作者、普林斯頓大學(xué)教授Lars Hedin說，“我們的發(fā)現(xiàn)為植物進(jìn)化提供了全新的全球理論。隱藏在地下的是一場巨大的適者生存的游戲，我們很幸運(yùn)能夠有史以來第一次揭開該游戲的科學(xué)觀。”

　　這項(xiàng)工作解開了植物生存和傳播的一些隱藏的“潛規(guī)則”，對(duì)人類建立氣候模型、理解生物圈至關(guān)重要，也對(duì)更好地管理植物世界具有重要意義。這個(gè)理論也解釋了為什么古老的粗根物種在進(jìn)化史被逐漸淘汰，以及一些細(xì)根的物種具有較強(qiáng)的入侵性，粗根的物種則很難入侵。這些知識(shí)將在生態(tài)保護(hù)工作中得以應(yīng)用。

　　值得一提的是，這項(xiàng)成果凝結(jié)了郭大立畢生對(duì)根系結(jié)構(gòu)和功能的探索。但令人扼腕的是，在論文發(fā)表之際，郭大立因病與世長辭。

　　“未來，我們會(huì)在郭大立老師研究的基礎(chǔ)上繼續(xù)尋‘根’問‘道’，深入理解不同生物群區(qū)的根和共生真菌如何影響生態(tài)系統(tǒng)的功能。”馬澤清表示。