植物如何活着，“朋友圈”说了算

地球上有30多万种植物，构成了一个极其复杂的社会。像动物一样，植物有个体行为，因此产生不同的相互关系。正是这些关系维持了这个社会的繁荣。

然而，这种繁荣有着显著的不同。随着纬度的升高，植物的多样性越来越低。几十年来，生态学家一直在努力寻找社会如何竞争和合作，以形成目前的共存模式。

最近，中国科学院植物研究所的研究团队“挑出”了植物的“朋友圈”，找到了破解共存机制的新途径。研究结果发表在《科学》在线版上。

同一物种的“邻居”太多不利于生存。

13年前，中国生态学家在浙江华凯古田山划出24公顷的大片亚热带森林，对14万多种木本植物进行动态监测，其中包括49科104属159种。

他们的核心目标只有一个，那就是解释植物是如何共存的，以及为什么它们的多样性可以长期稳定地保持。这一直是生态学研究的热点。

也是从那时起，论文的第一作者、中国科学院植物研究所的新博士生陈雷开始跟踪古田山样地的幼苗动态。

在研究过程中，他发现了另一个有趣的现象。如果一棵幼苗被同类的“邻居”所包围，它的生长就会受到限制甚至死亡。相反，它的“邻居”越富有，幼苗就长得越强壮。

个体的生存由邻居决定。植物学研究所的助理研究员陈雷说，这背后的原因可以用负密度限制来解释，负密度限制是美国生态学家詹森和康奈尔在20世纪70年代建立的物种共存理论。

当病原细菌和植食性昆虫等具有寄主特异性的天敌聚集在单个树木周围时，很容易破坏附近同一个体的种子和幼苗，使其具有较高的死亡率。此外，当一个物种的数量增加时，同类的损害会更加严重。这解释了为什么同一物种的太多“邻居”不利于生存。

这一机制也意味着周围的其他物种，尤其是个体数量较少的稀有物种，将因此获得更多的生物资源和空间，从而促进群落物种多样性的维持。因此，负密度限制越强，物种多样性越高。

这对于物种共存机制的研究来说是一个重要的假设，但是陈雷说，学术界对此经常争论不休。

“这是因为这一假设和大量相关研究结果是基于美国科学家1980年在*巴罗科罗拉多岛建立的大规模热带森林监测样地(BCI)。科学家需要知道:它能解释当今世界植物多样性的分布模式吗？它是否普遍适用于任何领域？在不同的自然群落中它的强度有什么不同吗？”

不同研究团队获得的结果往往大相径庭。因此，本文的通讯作者、中国科学院植物研究所研究员马克·平带领团队在中国亚热带森林的大样本中做了进一步的验证。

“好朋友”和“坏朋友”互动

负密度限制理论最关键的驱动因素是病原菌，它直接降低了群落中优势种的存活率。该团队将土壤真菌作为研究的起点。

陈雷介绍说，在自然界中，土壤真菌的种类极其丰富，病原菌并不是单个植物“朋友圈”中唯一的“坏朋友”。有些可以为共生植物提供营养，保护它们免受病原微生物的侵害。例如，外生菌根真菌和丛枝菌根真菌是植物的“好朋友”。

沿着这一思路，一个意想不到的收获最终主导了研究方向。他们发现外生菌根植物和丛枝菌根植物的分布也有纬度梯度差异。

陈雷告诉《中国科学报》，目前世界上70%以上的物种属于丛枝菌根植物，它们是热带地区的绝对主力军。在亚热带地区，虽然丛枝菌根植物的多样性高于外生菌根植物，但外生菌根植物的地上生物量远远领先，如松科、壳斗科和桦木科植物，它们似乎不太容易受到负密度的限制。

“朋友圈”的形成会成为探索物种共存机制的新突破吗？

因此，中国科学院植物研究所的团队与马里兰大学和中国科学院微生物研究所的合作者一起，在样地中选择了34个物种和320株植物，并使用高通量测序技术确定了植物根际土壤中真菌群落的组成。结合9年的林下幼苗动态监测数据，计算了病原菌和外生菌根真菌在树木生长过程中的积累速度。

结果表明，两种真菌的植物积累速率因物种不同而不同，由两种真菌引起的负密度限制强度也有很大差异。

“与外生菌根植物相比，丛枝菌根植物主要在养分吸收方面对共生真菌有保护作用。它们对有害病原细菌积累的抵抗力较弱，并且更受相同邻居密度的限制。”陈雷解释道，“外生菌根植物正好相反。它们的根部就像穿了一层‘防弹背心’，可以直接抵御病原菌的入侵，这样它们就更容易与同类邻居和平共处，甚至可以帮助周围的丛枝菌根植物减少同类伤害的影响，”

“它不仅是病原菌，而且不同功能性土壤真菌的相互作用决定了植物之间的共存关系。”Markpin表示，这项研究丰富了物种共存的原始经典理论框架，并进一步解释了全球植物多样性在纬度梯度上的分布格局。

物种共存的研究不仅限于“朋友圈”

"森林生态系统研究就像一个俄罗斯塔瓦，一个开放，另一个开放."在陈雷看来，森林拥有无尽的科学宝藏。

从植物与植物的关系，到植物与病原菌的关系，到病原菌与有益真菌的关系，生态学和生物多样性的研究者们正在走向一个广阔的世界，在这个世界中，各种科学领域在研究物种共存机制的过程中相互交叉。

在马克·平看来，为了及时准确地发现这一复杂研究地图中的空白并找到填补这些空白的方法，越来越需要依靠知识和经验，特别是长期积累和分享数据。

他不止一次强调，生态研究应该变成一个“百年老店”。“只有重视平台建设，坚持系统、持续的研究内容，才能取得好的成果。”

作为这一研究的延伸，陈雷提出了一个新的思维方向。在未来气候变化的背景下，丛枝菌根植物和外生菌根植物对环境变化的响应将完全不同，全球植物多样性分布格局的变化将不可避免地受到这种影响。“为了更好地理解和预测森林物种多样性对气候变化的响应，我们必须在全球物种分布模型中纳入不同功能土壤真菌的因素。”

此外，马克平还考虑了基础研究能否为实际应用带来一个模型。

亚热带常绿阔叶林在中国是世界上分布最广、最典型的。然而，大多数常绿阔叶林已经被破坏。如何保护和恢复退化的森林是一个持久的挑战。

因此，他希望了解亚热带常绿阔叶林群落的建设和维护，最终能够为具体的恢复工作提供实际的指导，例如，如何设计和组合不同的菌根植物来促进群落的生存和生态系统的功能。

相关论文信息:https://doi.org/10.1126/science.aau1361