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地下世界的根系,你不知道的秘密

送交者: icemessenger[♂☆★★★SuperMod★★★☆♂] 于 2022-08-21 1:14 已读 3725 次 2赞  

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看似平和而安详的森林,实际上无时无刻不在进行着残酷的竞赛。在地面之上,植物需要不断地长高和扩大叶面积,以争取到更多的阳光和吸收更多二氧化碳。而在地面之下,植物则伸展着根系,来获得更多的水分和矿质元素。这一切,都是为了更好地进行光合作用,从而生产植物生长所必需的有机物。



在这片宁静的绿色之下,森林中的树木都在为生存而努力。图片:greengrowthknowledge.org


生存不易,辛辛苦苦进行光合作用产出的东西,没道理不自己留着,对吧?科学家们也曾这样以为。由于不同植株之间极少存在“吃与被吃”的关系,因此,一个传统而显而易见的观点是:光合作用的产物(或者叫“同化产物”)一旦在植物体内被合成,就不会轻易在不同植株间“易手”——除非脱落或死亡。



迎着阳光生长,合成更多有机物。图片:wallfizz.com


然而,瑞士巴塞尔大学和瑞士保罗谢尔研究所的一项研究,却向这一看似“天经地义”的观点发出了挑战。研究者们发现,植物通过枝叶合成的同化产物,会通过根系在不同植株间发生着巨量的转移。换句话说,植物也会通过根系进行“地下交易”,彼此相互交换自身合成的有机物。


让我们来做个实验吧


根系埋藏于地下,并不轻易显露真身;而层层叠叠的分支,使得植物的根从数十厘米粗的主根,一路分为直径不足一毫米的细根(fine root)。要探究有机物在如此纤细而复杂的根系网络中如何转移,看起来几乎是一个不可能完成的任务。



榕属植物的根系。图片:counselingoneanother.com


不过,科学家们另辟蹊径,利用一种被称为“开放大气二氧化碳富集”(free air CO2 enrichment, FACE)的技术,使用人工提供的二氧化碳对植物体内的有机物进行标记,进而追踪了这些有机物的移动途径。

科学家们在瑞士巴塞尔地区的一片混交林中开展的这项实验,本身就是一个大工程——他们选取了5株高度近40米的欧洲云杉(Picea abies)为实验对象,通过起重机在每棵树的树冠上布满了能释放二氧化碳的管道。通过精密的电子阀控制和传感器监测,整套FACE系统能将树冠笼罩在一定浓度的“标记用二氧化碳”氛围之中,实验时间长达五年之久。



实验场地远景。图片:University of Basel, research group C. Körner



实验场地里的欧洲云杉。图片:University of Basel, research group C. Körner


如何探究根系中的秘密


这些标记用的二氧化碳,跟大气中的二氧化碳有什么区别?严格来说,标记用的二氧化碳气体相当“纯净”——纯净到几乎只由含有碳12原子的二氧化碳分子组成;而含有碳13原子的二氧化碳分子含量则远低于大气中的二氧化碳水平。换句话说,科学家们是用低碳13丰度的二氧化碳来标记树木。



标记二氧化碳以探究有机物的传递与转移。图片:eschooltoday.com


这样一来,那些被标记的欧洲云杉体内的碳中,碳13的丰度要低于周围没有被标记的树木——包括另外五棵作为对照的欧洲云杉。在吸收自然大气二氧化碳的树木中,碳13丰度的偏差千分率(δ13C)一般在-27‰左右;而在那些被标记的树木中,这一数值可降至-30‰左右。



FACE实验中覆盖树木,用于释放二氧化碳的管道。


别看这俩数值好像没差多少,这种碳同位素丰度的差异足以被科学家们检测出来,从而测量树木不同组分以及不同树木间碳同位素丰度的变化,最后重构出有机物在植物体内和植物间的传递和转移过程。


树木之中、根系之间的秘密


研究者们在分析与被标记的欧洲云杉相邻的树木,如欧洲赤松(Pinus sylvestris)、欧山毛榉(Fagus sylvatica)以及欧洲落叶松(Larix decidua)的碳13丰度时发现,这些树木的根部,尤其是细根的碳13丰度也发生了显著的下降,而它们树冠部位的碳13丰度则没有显著变化。



跟未经标记对照组(Control,左)树木相比,用人工二氧化碳标记(左,5-yr CO2 labeling)的欧洲云杉(红)的同化产物被转移到了相邻三种不同的树木之中,这些树细根(Fine roots)的碳13丰度变化尤为明显。


这一结果表明,被标记的欧洲云杉通过根系和周围树木间发生了有机物的交换。低碳13丰度的有机物被周围树木吸收,而欧洲云杉本身也获得了其他树木所产生的高碳13丰度的有机物。通过对植物细根碳13丰度的精细测量可以推算:一棵树木的细根中,有近40%的有机物被转移给了其他植株。如果换算到每公顷土地上,那么植物细根间交换的有机物高达每年280千克。


原来是根际土壤中的真菌


那么,如此大量的有机物交换是如何发生的呢?科学家将目光投向了一大类植物的共生者:菌根真菌。人们很早之前就知道,几乎所有的树木根系表面都会有真菌附着,形成所谓菌根(Mycorrhiza)的复杂网络结构。菌根的存在,不但有助于水分、矿物质的吸收,更为重要的是介导了复杂的有机物合成和转运过程。



附着在根系上的菌根。图片:allweblink.com


研究者对土壤中与植物根系共生的菌根真菌,以及普通的腐生真菌体内碳13丰度进行了测量,发现在未被标记的树木根际土壤中,菌根真菌和腐生菌具有类似的高碳13丰度。而在被标记的树木及其邻近树木根际土壤中,菌根菌体内的碳13丰度则显著下降,而腐生菌则没有显著变化。

这一现象表明,树木根系间有机物的转移,并非是由植物组织脱落、死亡、分解造成,而是通过共生菌根菌主动进行的。



尽管植物不能派遣“商队”,但根际土壤中的大量菌根真菌形成了庞杂的交换网络,不同种类的树木都能通过它们进行同化产物的转移。图片:10.1126/science.aaf4694


这一实验结果提示,植物之间的相互关系,远比人们之前所想象的频繁和复杂:植物根系间不但存在化学信息交流(如化感作用)、物质资源竞争外,还存在着同化产物的交换。

那么,这种“地下交易”为什么会产生呢?目前我们还不知道确切原因。一个可能的解释是,植物向共生真菌提供了大量的有机物来支持自身菌根的生长,而不同植株的不同菌根之间则会争夺和再次分配这些有机物,从而形成了有机物的多向转移。不过,这一猜想还有待于进一步的研究。但无论如何,这一发现为我们打开一扇了解森林生态系统运作规律的新窗口。


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