辣椒植物在马德里国家自然科学博物馆 (CSIC) 的温室中种植，以研究单独种植与与邻居一起种植时它们的地下行为有何不同。图片来源：普林斯顿大学 Ciro Cabal
您可能已经观察到植物争夺阳光——它们向上和向外伸展以阻挡彼此接触太阳光线的方式——但在看不见的地方，另一种类型的竞争正在地下发生。就像您在同事在场时您可能会改变在休息室寻找免费零食的方式一样，当植物与其他植物一起种植时，它们会改变对地下资源的使用。
在今天发表在 Science 上的一篇论文中 ，由普林斯顿大学研究生 Ciro Cabal 领导的国际研究团队揭示了植物的地下生命。他们的研究结合了建模和温室实验来发现植物在单独种植和与邻居一起种植时对根结构的投资是否不同。
“这项研究很有趣，因为它结合了几种不同的心灵糖果来调和文献中看似矛盾的结果：一个聪明的实验，一种观察完整土壤中根系的新方法和简单的数学理论，”斯蒂芬帕卡拉说， Frederick D. Petrie 生态学和进化生物学（EEB）教授，该论文的资深作者。
“虽然植物的地上部分已经被广泛研究，包括它们可以储存多少碳，但我们对地下部分（即根部）如何储存碳知之甚少，”Cabal 博士说。帕卡拉实验室的学生。 “由于世界上大约三分之一的植被生物量（即碳）位于地下，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，植物用于其根部的能量取决于与其他植物的接近程度：当植物靠近时，植物会大量投资于其根系以争夺有限的地下资源；如果相距甚远，他们的投资就会减少。由于世界上大约三分之一的植被生物量（和碳）位于地下，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有价值的工具。这些辣椒植物在马德里国家自然科学博物馆 (CSIC) 的温室中种植，以研究单独种植或与邻居一起种植时它们的地下行为有何不同。相邻辣椒植物的根被染上不同的颜色（通过注射），以区分哪些根属于哪种植物。图片来源：普林斯顿大学 Ciro Cabal
植物产生两种不同类型的根：从土壤中吸收水分和养分的细根，以及将这些物质运回植物中心的粗根。植物对根的“投资”既包括所产生的根的总量，也包括这些根在整个土壤中的分布方式。一株植物可以把它所有的根集中在它的枝条下面，或者它可以将它的根水平伸展开来在邻近的土壤中觅食——这可能会与邻近植物的根部竞争。
当植物发现自己共享土壤时，该团队的模型预测了根系投资的两种潜在结果。在第一个结果中，相邻植物通过分离它们的根系来“合作”以减少重叠，这导致总的根系比它们单独生长时产生的根系更少。在第二个结果中，当植物感觉到一侧的资源由于邻居的存在而减少时，它会缩短其一侧的根系，但会更多地投资于其茎干正下方的根部。
自然选择预测了第二种情况，因为每株植物都会采取行动来增加自身的适应性，而不管这些行为如何影响其他个体。如果植物非常靠近，尽管这些根分离，但增加对根体积的投资可能会导致公地悲剧，从而导致资源（在这种情况下为土壤水分和养分）耗尽。
为了测试模型的预测，研究人员在温室中单独或成对种植辣椒植物。在实验结束时，他们将植物的根部染成不同的颜色，这样他们就可以很容易地看到哪些根属于哪种植物。然后，他们计算了每株植物根系的总生物量和根茎比，看看植物在与邻居一起种植时，它们在地下和地上结构中沉积的能量和碳量是否发生了变化，并计算了植物产生的种子数量。每株植物作为相对适合度的衡量标准。
该团队发现，结果取决于一对植物彼此之间的距离。如果种植得非常紧密，植物将更有可能在其根系上进行大量投资，以试图在有限的地下资源上相互竞争；如果它们种植得更远，它们对根系的投资可能会比单株植物少。
具体来说，他们发现，当在其他植物附近种植时，辣椒植物会增加对局部根系的投资，并减少它们水平伸展根系的距离，以减少与邻居的重叠。没有证据表明“公地悲剧”情景，因为与地上结构（包括每株植物产生的种子数量）相比，单生植物与共生植物的总根生物量或根的相对投资没有差异.
植物从大气中去除二氧化碳并将其沉积在它们的结构中——三分之一的植物碳储存在根部。了解不同情景下的碳沉积变化如何帮助我们更准确地预测碳吸收，进而有助于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作物产量，了解如何优化利用地下（和地上）资源是有帮助的。
参考：“植物根系的剥削性分离”，Ciro Cabal、Ricardo Martínez-García、Aurora de Castro、Fernando Valladares 和 Stephen W. Pacala，2020 年 12 月 4 日，科学 .
DOI：10.1126/science.aba9877
该论文的其他合著者是 EEB 的前博士后研究员 Ricardo Martínez-García，他现在是南美基础研究所的教授； Aurora de Castro，作为西班牙国家自然科学博物馆生物地理学和全球变化系本科论文的一部分，参与了该项目； Fernando Valladares，雷伊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学和全球变化系研究员。
Ciro Cabal、Ricardo Martínez-García、Aurora de Castro、Fernando Valladares 和 Stephen W. Pacala 的“植物根部的剥削性分离”发表在 12 月 4 日的Science 杂志上 （DOI：10.1126/science.aba9877）。这项工作得到了普林斯顿大学生态与进化生物学系的五月奖学金的支持；戈登和贝蒂摩尔基金会（授予 GBMF2550.06）； Instituto Serrapilheira（授予 Serra-1911-31200）；圣保罗研究基金会（授予 ICTP-SAIFR 2016/01343-7）； Programa Jovens Pesquisadores em Centros Emergentes (2019/24433-0)；西蒙斯基金会；西班牙科学、创新和大学部（COMEDIAS grant CGL2017-83170-R）；和普林斯顿环境研究所碳减排倡议。
