中美合作研究发现根系在植物进化中的关键推动作用

■我们的记者丁佳

种类繁多的彩色植物使我们赖以生存的地球更加美丽，也是人类生存的重要基础。在地球漫长的历史中，植物已经适应了环境，发展了390，000多种植物。它们的进化过程吸引了众多植物学家和生态学家。

长期以来，植物进化的理论框架主要集中在地上部分，如叶子和花，而对地下部分的根结构和功能组织知之甚少。

最近，中国科学院地理与资源研究所和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可能在植物进化和适应过程中发挥更重要的作用。最近，《自然》杂志在网上公布了这一结果。

植物落地的“腿”

沸水对植物的生长是不可缺少的。事实上，最早的植物，如藻类和苔藓，都生活在水中。到底是什么让植物最终“踏”上了土地？

“根是植物落地的关键，真正根的出现和进化可能会促进世界上39万种高等植物的进化。”该论文的第一作者、中国科学院地理资源研究所助理研究员马泽青说，根是植物获取养分和水分的主要营养器官，它们的进化时间可能晚于茎和叶，但在实际功能中，它们可能是植物生存、传播和进入不同生物区系的重要因素。

4亿年前，植物一般都是矮小的，真正的叶子也没有形成。根也不是真正的根。菌根细菌可能与一些根细胞建立了共生关系。开始时，可能只有几十种差别不大的植物，主要生活在沼泽地。

植物落地后，其根系在形态和功能上发生了各种分化。然而，如何用统一的理论来解释根系对植物适应环境的影响，一直是生态学家研究的热点和难点。

通往“独立”的道路

以中国科学院地理资源研究所第一作者、研究员郭大力为首的国际根系研究团队，在长期野外调查和取样的基础上，经过15年的不断积累，从世界7个生物区系中收集到369种植物，选出生理代谢最强的初生根，并对其10个功能性状进行了分析，从而系统地解释了吸收根系的生物地理格局。

随着研究的深入，一种新的植物进化理论向他们提出:在4亿年的进化过程中，植物的地下根很可能以一种更加有效和独立的适应方式为不同的植物“制定”不同的养分和水分吸收策略，从而促进植物的进化过程。

在潮湿多雨的热带雨林中，植物的根部不“考虑”供水的安全性。各种各样的根在这里*生长。它们也更愿意和一些共生真菌生活在一起，并互相“帮助”。在这个地区，许多非常古老的物种被保存下来，根的多样性非常高。

然而，在缺水的草原和沙漠地区，情况完全不同。植物的根尖变得越来越薄，这有利于它们渗入贫瘠的土壤并获得重要的养分。由于这些地区的环境不可预测，资源供应不稳定，根系也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’。他们不断优化自己的“投资效率”，更有效地掌握转瞬即逝的养分和水资源，从而促进物种的传播和扩散。”马泽青说:“在环境的压力下，这些地方的植物根系大多相似，多样性很低。”

此外，木本植物和草本植物之间的根的形态差异仍然存在。木本植物的根直径相对较粗，组织密度稍高，因此使用寿命长。然而，草本植物的组织密度低，建设成本低，寿命短。

植物的秘密生命

根据上述发现，研究者认为植物根系有两种生存策略:一种是保守策略，即粗根物种和共生菌根共同获取资源；另一种是机会主义策略，在这种策略中，物种可以快速繁殖更细的吸收根，从而有效地获得不稳定的土壤水分和养分。

在这一点上，一个以前可能被忽视的事实也浮出了水面——植物地下根结构的变化在为植物开辟新的栖息地方面发挥了重要作用，并最终促进了植物物种的生物多样性。

"这些是植物长期统治世界的秘密策略."该论文的合著者、普林斯顿大学的拉斯·赫丁教授说，“我们的发现为植物进化提供了一个全新的全球理论。隐藏在地下是一个巨大的适者生存的游戏，我们非常幸运能够在历史上第一次揭开这个游戏的科学概念。”

这项工作解决了一些隐藏的植物生存和传播的“潜规则”。对人类来说，建立气候模型和了解生物圈是非常重要的，对更好地管理植物世界也具有重要意义。这一理论也解释了为什么古老的厚根物种在进化史中逐渐被淘汰，一些薄根物种具有很强的入侵性，而厚根物种则很难入侵。这些知识将应用于生态保护工作。

值得一提的是，这一成就凝聚了郭大力一生对根的结构和功能的探索。然而，令人遗憾的是，当论文发表时，郭大力因病去世。

“今后，我们将在郭大力先生研究的基础上，继续寻找‘根’，问‘道’，深入了解不同生物区系的根和共生真菌对生态系统功能的影响。”马泽清说道。

中国科学新闻(2018-03-01，第一版集锦)