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    中国科学院地理科学与资源研究所在植物根系进化和生物地理学研究中取得重大突破

    日期 2018-04-13   来源:生命科学部   作者:马泽清 赵桂玲 罗晶 冯雪莲  【 】   【打印】   【关闭

      在国家自然科学基金项目(项目编号:31325006, 31530011)等资助下,中国科学院地理科学与资源研究所开展的植物根系进化和生物地理学研究取得重要进展。研究成果以“Evolutionary history resolves global organization of root functional traits”(进化历史诠释了全球根功能属性的组织方式)为题于2018年2月21日在Nature(《自然》)上在线发表。马泽清博士、郭大立研究员和美国普林斯顿大学Lars O. Hedin教授为共同第一作者,郭大立和Lars O. Hedin同时也是共同通讯作者,中国科学院地理科学与资源研究所为第一单位。论文链接:https://www.nature.com/articles/nature25783。

      长期以来,植物进化理论框架主要基于对叶片、花等地上部分的认识,而对地下部分根系结构和功能在进化过程中如何组织却鲜为人知。该研究提出一个全新的植物进化理论:在长达4亿年的植物进化过程中,地下吸收根朝更加高效(图a)、独立的方向进化(图c),为物种开拓新的栖息地发挥了重要作用,促进了植物的传播和进化。

      从热带雨林到荒漠,植物吸收根直径整体在变细,倾向于更加灵活的构建方式(图a),对共生真菌依赖性降低(图c),通过该方式,植物单位碳投资获取养分的效率得以优化,从而能够高效地捕获稍纵即逝的养分和水分资源,增强了植物对环境的适应与存活能力。在水分供应充足的热带雨林,根的设计对水力安全性考虑较低,细根和粗根物种共存,很多系统发育较古老的物种得以保存(图b);而在水分胁迫较强的草原和荒漠,由于季节性资源供应方式不稳定,根系多样性下降。此外,根的形态属性区别主要在于木本植物和草本植物之间;木本植物根直径相对较粗,组织密度略高,因而寿命长;而草本植物组织密度较低,构建成本低,寿命较短(图d)。

      这项工作揭开了植物生存和传播一些隐秘的“地下规则”,对于理解植物资源获取策略、生物地球化学循环模拟和生物多样性保护至关重要。该理论解释了为什么一些古老的粗根物种在进化过程中很难离开稳定湿润的生境,而且容易在进化过程中被淘汰。此外,该理论还可以应用于实际的生态保护工作,例如防范和管理外来入侵物种,那些根较细、效率较高的植物很可能成为入侵种。

      值得一提的是,这项成果凝结了论文共同第一作者兼共同通讯作者、中国科学院地理科学与资源研究所郭大立研究员毕生对根系结构和功能的探索。令人扼腕的是,郭大立研究员现已因病与世长辞。

    图. 植物根组织方式。a) 植物根直径与比根长呈曲线关系;b) 主要的植物类群分化与进化时间与根直径显著相关;c) 植物根直径与菌根真菌侵染率(百分比)呈正相关;d) 不同类型的植物根组织密度不同。绿色表示草本植物,黄色表示木本植物。a)中根横截面图分别为冰草Agropyron cristatum(右)和车轮梅Rhaphiolepis indica(左)




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