（2020.12.15 iPlants）

2020年12月4日，Science雜志在線發(fā)表了來自普林斯頓大學(xué)Ciro Cabal等人題為“The exploitative segregation of plant roots”的研究論文。該研究開發(fā)了一個(gè)理論模型以解釋控制根系生長的規(guī)則，并可預(yù)測單個(gè)植物的根系密度空間分布。該理論指出植物既在莖附近局部過度增殖根，又在與相鄰根系重疊時(shí)減少吸收營養(yǎng)范圍，其可能由營養(yǎng)成分吸收的空間成本決定。

根系獲得土壤資源的能力決定了植物的產(chǎn)量，并受與其他植物根系競爭的高度影響。但是，我們對土壤中完整的根系的觀察很少，缺乏針對根系對環(huán)境的響應(yīng)的綜合理論。此外，植物的根系代表了一個(gè)巨大的碳庫，可儲存世界上約三分之一的植物碳，并且了解根系對地下競爭的反應(yīng)對于預(yù)測植被的碳吸收和設(shè)計(jì)緩解氣候變化的策略至關(guān)重要。

植物可以感知土壤營養(yǎng)以及非自身根和非親緣根的存在，并對這些刺激產(chǎn)生表型響應(yīng)。但是其機(jī)理尚不清楚。以往研究表明，相鄰植物趨于將其根系之間的重疊最小化。但是具體情況仍然不清楚。

該研究通過模擬表明從遠(yuǎn)離植物莖的位置增加的養(yǎng)分運(yùn)輸成本，為根部吸收營養(yǎng)帶來空間維度。該成本限制了根吸收的程度，導(dǎo)致相鄰植物之間根系的部分隔離。但是，在靠近植物莖的地區(qū)情況卻有所不同：低的養(yǎng)分運(yùn)輸成本使過多的根系生產(chǎn)便宜，并具有與遠(yuǎn)方遷徙的鄰居的根系的競爭優(yōu)勢;該模型預(yù)測，植物根系應(yīng)避免昂貴的前往鄰近地區(qū)的行程，但會確保離自己較近的資源。因此，在低成本的地區(qū)增加根系生產(chǎn)，但減少與相鄰根系的重疊。后者以前被解釋為合作行為或領(lǐng)土防衛(wèi)，但該研究證實(shí)是因?yàn)槭莛B(yǎng)分運(yùn)輸成本約束的自私戰(zhàn)略的一部分。

該研究進(jìn)一步證實(shí)茂密的植被中最強(qiáng)的根系生產(chǎn)應(yīng)該是最強(qiáng)的，競爭植物之間的距離很短，從而無法獨(dú)占資源，而根系建設(shè)成本低的生產(chǎn)性生態(tài)系統(tǒng)或物種中。這表明涉及高施肥率和高種植密度的農(nóng)業(yè)實(shí)踐特別有利于競爭性根系增殖，但以經(jīng)濟(jì)上必不可少的產(chǎn)量為代價(jià)。因此，通過根據(jù)根系空間行為調(diào)整作物的間隔和施肥方式，可以實(shí)現(xiàn)最佳的肥料利用率和更高的產(chǎn)量。通過培育低矮的作物品種并降低了對鄰居的陰影的響應(yīng)能力，也能實(shí)現(xiàn)更高的產(chǎn)量。

綜上所述，該研究表明植物根系生產(chǎn)的進(jìn)化模型并不要求植物能夠檢測競爭者，而是純粹由資源動力學(xué)驅(qū)動。