作者:丁佳 来源:科学网 www.sciencenet.cn 发布时间:2018/2/27 21:22:28
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什么让植物“迈”上陆地:隐藏在地下的植物秘密

郭大立

地球上形形色色的根系(马泽清供图)

种类繁多、多姿多彩的植物让我们生活的地球更加美丽,也是人类赖以生存的重要基础。在漫长的地球历史中,植物不断适应着环境,发展出了39万余个植物物种。它们的进化历程,让无数植物学家和生态学家为之着迷。

长期以来,关于植物进化的理论框架主要集中在于叶片、花等地上部分,但对于地下部分的根系结构和功能组织方式,人们却知之甚少。

最近,中国科学院地理科学与资源研究所与美国普林斯顿大学的一项合作研究发现,隐藏在地下的植物根系,可能在植物进化和适应的过程中,起着更为关键的推动作用。2月21日在线出版的《自然》杂志报道了这一成果。

植物登陆的“腿”

植物的生长离不开水,实际上,最早的植物,如藻类、苔藓等,都是生活在水里的。那究竟是什么让植物最终“迈”上了陆地呢?

“根是植物登陆的关键,真正的根的出现和演化很可能推动了全球39万种高等植物的进化。”论文第一作者、中科院地理所助理研究员马泽清说,根是植物养分和水分获取的主要的营养器官,其进化时间可能晚于茎和叶,但在实际功能上,很有可能是植物生存和传播,进入不同生物群区的重要因素。

植物在4亿年前,普遍矮小,真正的叶片未形成,根也不是真正的根,菌根菌可能与一些根细胞建立了共生关系,初期也许只有几十种差异不太大的植物,主要生活在沼泽地。

植物登陆以来,其根系在形态和功能上都发生了多样的分化。但如何用一种统一的理论来解释根系对植物适应环境的作用,却一直是生态学家所关注的热点和难点。

“独立”之路

基于长期的野外调查取样,以论文共同通讯和第一作者、中国科学院地理资源研究所研究员郭大立为首的国际根系研究团队,经过15年的不断积累,从全球7个生物群区收集了369种植物,选择生理代谢最强的一级根,分析了它们的10个功能性状,以期系统阐释吸收根的生物地理格局。

随着研究的深入,一种新的植物进化理论展现在他们眼前:在长达4亿年的进化过程,植物的地下根系很可能在以一种更加高效、独立的适应方式,为不同植物“制定”了不同的养分、水分的吸收策略,从而推动植物的进化历程。

在湿润多雨的热带雨林,植物的根不怎么“考虑”水分供应的安全性,各种各样的根系都在这里肆意生长,它们也更愿意与一些共生真菌共同生活,互相“帮衬”。在这一区域,很多非常古老的物种属性得以保存,根系的多样性很高。

但在水分紧缺的草原和荒漠地区,情况则完全不同。植物的根尖变得更细,这有利于它们深入到贫瘠的土壤里,获取重要的营养物质。由于这些地区的环境不可预知性很强,资源供应也不稳定,根系还减少了对共生真菌的依赖,变得更加“独立”。

“这些地区的植物非常‘斤斤计较’,它们不断优化着自己的‘投资效率’‘,更加高效地抓住稍纵即逝的养分和水分资源,促进了物种的传播和扩散。”马泽清说,“迫于环境的压力,这些地方植物的根系大都比较相似,多样性很低。”

此外,根的形态区别还存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,寿命短。

植物的秘密生活

根据上述发现,研究人员认为,植物的根系有两种生存策略,一种为保守策略,体现为粗根物种和共生菌根共同获取资源;另一种为机会主义策略,物种可以快速增殖较细的吸收根,从而高效获取不稳定的土壤水分和养分。

至此,一个以前可能被大家忽略的真相也浮出水面——植物地下根系结构的变化,为植物开拓新的栖息地发挥了重要作用,最终促进了植物物种的生物多样性。

“这些就是植物长期接管世界的秘密策略。”论文共同第一作者、普林斯顿大学教授Lars Hedin说,“我们的发现为植物进化提供了全新的全球理论。隐藏在地下的是一场巨大的适者生存的游戏,我们很幸运能够有史以来第一次揭开该游戏的科学观。

这项工作解开了植物生存和传播的一些隐藏的“潜规则”,这对人类对建立气候模型、理解生物圈至关重要,也对更好地管理植物世界具有重要意义。这个理论也解释为什么古老的粗根物种在进化史被逐渐淘汰;而一些细根的物种具有较强的入侵性;而粗根的物种很难入侵,这些知识将在生态保护的工作得以应用。

值得一提的是,这项成果凝结了郭大立毕生对根系结构和功能的探索。但令人扼腕的是,在论文发表之际,郭大立因病与世长辞。

“未来,我们会在郭大立老师研究的基础上继续寻‘根’问“道”,去深入理解不同生物群区的根和共生真菌如何影响生态系统的功能。”马泽清最后表示。

附:

郭大立研究员简介

郭大立研究员是一个才华出众、有敏锐洞察力的杰出青年科学家,对自然界充满了求浓厚的兴趣。他具有卓越的领导力,能够带领研究团队去回答植物生态学和生态系统生态学的关键科学问题。他也是一个善解人意,雅量高致的人,每个与他相遇的人都能很快地和他成为好朋友,因而他的朋友遍及五湖四海。他是根系生态学界著名的思想家和学术带头人,他的工作推动了我们对全球尺度根属性认识。

他长期致力于植物根系理论和研究方法的探索,在根系功能模块理论、根系与菌根生物学过程、根系功能属性的可塑性和适应性等方面开展了一系列开拓性的工作。他重新定义了树木的吸收根概念,打破了几十年来采用单一直径级划分吸收根的传统认识,并提出了“根系寿命模块”学说,建立了以根级为基础的根系周转模型;他提出的叶片水分与经济谱属性相互独立的学说,为理解植物多样性的形成机制提供了坚实的理论基础。

郭大立研究员在深入开展学术研究的同时,积极投身科研活动组织和人才培养工作。他主持了一系列国家级研究项目,包括国家自然科学基金委员会重大国际合作项目、重点基金项目、科技部基础性工作专项课题等;创建了“中国根系生态过程观测网(Rhizonet)”,系统研究全球不同植物不同根级的生物学结构和生理功能,为认识森林地下生物学过程提供了研究范式;组织了我国森林联盟的工作,极大地推动了森林生态系统地下生态学研究;他在我国较早地开展了关键带研究,为认识喀斯特地区土壤-植物-微生物空间分布规律奠定了基础。他还广泛开展国际学术交流,极大地提升了中国科学家的国际影响。他在北京大学和中国科学院大学开设了《土壤学》、《生物地理与宏系统生态学》等研究生课程,获得两所大学师生的高度评价。因其突出的学术成就和影响,郭大立同志被国内外多家著名生态学杂志聘为编委,包括《New Phytologist》、《Journal of Ecology》、《Global Change Biology》、《植物生态学报》等。

郭大立同志治学严谨、追求卓越、热爱生活、待人热忱。他对待工作一丝不苟,精益求精;他是学生的良师益友,对他们的研究工作严格要求,对他们的学业和生活处处关心,培养了多位优秀学生。在讲授研究生课程期间,即使病重无法走上讲台,他仍以顽强的毅力坚持备课,在病床上录制课件。

郭大立研究员1971年3月6日生于中国甘肃。1992年,他在南京农业大学开始了自己的学术生涯,并获得了学士学位。随后在中国科学院应用生态研究所从事森林土壤学的研究工作。1997年赴美攻读博士学位,获得了弗吉尼亚理工学院的森林生态学博士学位。2002年,在Dr. Robert Mitchell的指导下,他在Joseph W. Jones生态研究中心从事博士后研究工作。2004年依然回国,在北京大学任教,担任城市与环境科学学院的助理教授,2005年晋升为副教授。2011年入选中科院百人计划,在中国科学院地理科学与资源研究所工作。曾荣获“北京大学第七届青年教师教学演示竞赛”理工类一等奖第一名、“北京大学教学优秀奖”、“中国植物学会先进青年工作者”称号、北京大学“教育部新世纪人才计划”奖、“北京大学王选青年学者奖”等。2011年,郭大立同志入选中国科学院“百人计划”,被聘为研究员并调入中国科学院地理科学与资源研究所工作,2013年获得国家杰出青年科学基金资助。

郭老师的不幸去世是植物学和生态学界的巨大损失。他不断创新、追求卓越的精神和对科学研究的热情,将激励我们不断前进,去完成他未竟的事业。

 
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2018/2/28 16:57:43 liuxueyan
学习了??
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