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中美合作研究發現根系在植物進化中的關鍵推動作用

http://www.www.22u.com.cn 2018-03-01 來源：科學網作者：發表評論(0)

　　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。在漫長的地球歷史中，植物不斷適應著環境，發展出了39萬余個植物物種。它們的進化歷程，讓無數植物學家和生態學家為之著迷。

　　長期以來，關于植物進化的理論框架主要集中在葉片、花等地上部分，但對于地下部分的根系結構和功能組織方式，人們知之甚少。

　　最近，中國科學院地理科學與資源研究所與美國普林斯頓大學的一項合作研究發現，隱藏在地下的植物根系，可能在植物進化和適應過程中起著更為關鍵的推動作用。近日在線出版的《自然》雜志報道了這一成果。

　　植物登陸的“腿”

　　植物的生長離不開水。實際上，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？

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

　　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胞建立了共生關系，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，其根系在形態和功能上都發生了多樣的分化。但如何用一種統一的理論解釋根系對植物適應環境的作用，一直是生態學家關注的熱點和難點。

　　“獨立”之路

　　基于長期的野外調查取樣，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隊，經過15年的不斷積累，從全球7個生物群區收集了369種植物，選擇生理代謝最強的一級根，分析了它們的10個功能性狀，以期系統闡釋吸收根的生物地理格局。

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

　　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，情況則完全不同。植物的根尖變得更細，這有利于它們深入到貧瘠的土壤里，獲取重要的營養物質。由于這些地區的環境不可預知性很強，資源供應也不穩定，根系還減少了對共生真菌的依賴，變得更加“獨立”。

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

　　此外，根的形態區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，構建成本低，壽命短。

　　植物的秘密生活

　　根據上述發現，研究人員認為，植物的根系有兩種生存策略：一種為保守策略，體現為粗根物種和共生菌根共同獲取資源；另一種為機會主義策略，物種可以快速增殖較細的吸收根，從而高效獲取不穩定的土壤水分和養分。

　　至此，一個以前可能被大家忽略的真相也浮出水面——植物地下根系結構的變化，為植物開拓新的棲息地發揮了重要作用，最終促進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、普林斯頓大學教授Lars Hedin說，“我們的發現為植物進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，我們很幸運能夠有史以來第一次揭開該游戲的科學觀。”

　　這項工作解開了植物生存和傳播的一些隱藏的“潛規則”，對人類建立氣候模型、理解生物圈至關重要，也對更好地管理植物世界具有重要意義。這個理論也解釋了為什么古老的粗根物種在進化史被逐漸淘汰，以及一些細根的物種具有較強的入侵性，粗根的物種則很難入侵。這些知識將在生態保護工作中得以應用。

　　值得一提的是，這項成果凝結了郭大立畢生對根系結構和功能的探索。但令人扼腕的是，在論文發表之際，郭大立因病與世長辭。

　　“未來，我們會在郭大立老師研究的基礎上繼續尋‘根’問‘道’，深入理解不同生物群區的根和共生真菌如何影響生態系統的功能。”馬澤清表示。

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編輯：guoai

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