一种新的植物进化理论表明，全球4亿年的植物群驱动可能不是由我们可以轻易看到的地上特征推动的，而是通过地下适应性推动植物变得更加高效和独立。

根据2月21日在“自然”杂志上发表的一篇研究报告，由于植物物种从其营养丰富的热带开始向北和向南蔓延，其根部的细尖端变得更窄，更广泛，以帮助它们探索越来越贫瘠的土壤中的重要营养素。普林斯顿大学和中国科学院(CAS)的研究人员在北京。此外，随着植物蔓延到干旱沙漠等不可预测的环境中，它们对共生真菌或菌根的依赖性越来越小，它们根系定植并帮助寄主植物获得必需的植物营养素氮和磷。

相应的作者Lars Hedin，George M. Moffett生物学教授兼生态与进化生物学教授和普林斯顿环境研究所的研究人员说，研究结果重新考虑了植物如何适应新环境。他说，科学家过去一直关注地上特征，主要是叶片性状和植物吸收阳光进行光合作用的效率。

相反，Hedin说，他和他的同事们第一次发现，根直径和对真菌的依赖 - 或者缺乏真菌 - 是整个生物群落中植物群落最为一致的特征，这些生物群落是大型独特的动物群落。植物，如沙漠，温带森林或稀树草原。

“这些是植物长期用来接管世界的秘密策略，”Hedin说。“我们的目标是解开对这些策略的理解，我们的研究结果为植物进化提供了一种全新的全球理论。隐藏在地下的是一场极其适合生存的游戏，我们很幸运拥有了第一个该游戏科学的观点。

“这项工作对保护和我们对植物世界的管理具有重大意义，”Hedin继续说道。“它提供了植物生存和传播的一些隐藏的，地下规则。在全球规则对建立气候模型和理解生物圈至关重要的时候，它是植物进化的全球观点。”

普林斯顿大学的第一作者，Hedin研究小组的研究生Mingzhen Lu说，如果根特性确实能确定植物抵御特定环境的能力，这些发现可能对保护濒危物种或预测植物如何适应气候具有重要意义。更改。

“我们的研究结果简化了我们如何实际描述植物获取营养素的策略，”Lu说。“了解其潜在的营养策略将有助于我们了解如何保护它们，或者了解它们能够或不能存活的条件。”

爱达荷大学自然资源学院Thomas Reveley教授兼院长Kurt Pregitzer表示，这项工作在打击入侵物种方面特别有用，入侵物种在高度流动的世界中对生物多样性的威胁越来越大。Pregitzer对这项研究很熟悉，但没有发挥作用。

“入侵物种导致本地植物大规模迁移，并在全球范围内产生巨大的经济影响，”Pregitzer说。“这项研究可能会开辟全新的科学研究线索，帮助我们更好地了解入侵植物根系如何帮助这些外来物种胜过本土植物。”

在大自然纸是它的规模和科学的方法仔细应用独特，Pregitzer说。“这项研究首次在广泛的陆地环境中进行，它表明植物物种已经进化出相应的家族，属和物种中保守的根系策略，”他说。“这些根系性状可能有助于植物在竞争激烈的自然生态系统中取得成功。”

研究人员花了两年时间研究了一个独特的大型根系性状数据库，其中包括来自七个生物群落的369种：沙漠，草原，地中海，北方，温带，亚热带和热带。

这些数据是在最近共同作者，中国科学院地理科学与自然资源研究所教授Dali Guo的实验室中编写的。第一作者马泽清是郭氏实验室的研究员，合着者徐祥良是郭氏的同事。该论文的共同作者还包括英国曼彻斯特大学生态学教授Richard Bardgett。宾夕法尼亚州立大学木本植物生理学教授David Eissenstat;和明尼苏达大学的研究助理M. Luke McCormack。

研究人员发现，热带和亚热带生物群落中的植物表现出最大的直径范围，最细的根尖用于营养，从小于0.25毫米到1毫米。这些根茎较厚的植物采用了作者称之为“保守”的策略 - 类似于地球上最早的陆地植物 - 它依赖于潮湿，温暖的热带和亚热带土壤中普遍存在的土壤真菌来提供营养。研究人员将持续闷热环境中营养丰富的土壤称为“可预测的”。

同时，“不可预测的”生物群落的细根直径，其特征是土壤贫瘠，冬季寒冷和/或不经常降水，属于该环境的理想范围。例如，所研究的沙漠和草地物种的根直径均小于0.25毫米。这些生物群落中的根尖变得更薄，因此它们可以更有效地探索植物消耗的每单位碳的土壤，并且它们对共生真菌的依赖性更小。

Lu说，研究人员使用的大量数据使他们能够以前所未有的程度探索植物根系的进化。“由于缺乏数据，”地下植物生态学得到了充分的研究，“他说。“正因为如此，对地下发生的事情的管理规则一直很少有人知道。”

“到目前为止，”Hedin补充说，“每个人都很自然地试图通过观察地上特征来了解植物是如何组织的。但我们的研究结果并没有遵循地上理论 - 这是一个惊喜。”

Pregitzer说，研究表明根和叶的进化遵循不同的路径。植物生态学家已经知道，叶子的形态和功能对植物物种的成功至关重要，但“我们不知道植物根系的多样性是否真实，”他说。

“有趣的是，人们对植物根系如何进化以促进其原生栖息地的成功知之甚少，”Pregitzer说。“现在我们知道叶子和根系已经对不同的进化选择压力做出了反应，我们可以开始更好地理解根形态和功能如何在我们在地球上看到的巨大生物多样性中推动植物成功。”

Hedin说，研究结果与普林斯顿大学探索的观点一致，这些观点认为植物 - 而不是其环境的被动特征 - 已经积极地适应并塑造了它们的环境。他是2015年自然植物论文的高级作者，该论文提出生态系统采取各种形式，因为植物的行为方式不仅有益于自身，还决定了栖息地的生产力和组成。

“在进化时期，植物似乎积极探索保护自身生存的最佳策略，”Hedin说。他和卢将这种观点带到了他们在CAS的同事们的数据库中。

“我们从工厂的角度理解如何将进化问题带入他们独特的全球数据集中，”Hedin说。“正是这种伟大的合作，我们将新的想法与多年艰苦的实地工作相结合，以产生这一伟大的成果。没有双方都不会发生这种情况。”

论文“进化史解决了根功能特征的全球组织”，由Nature2月21日在线发表。