首次揭示不同植物的根系如何争夺地下生存空间

（2020.12.15 iPlants）

2020年12月4日，Science杂志在线发表了來自普林斯顿大学Ciro Cabal等人题为“The exploitative segregation of plant roots”的研究论文。该研究开发了一个理论模型以解释控制根系生长的规则，并可预测单个植物的根系密度空间分布。该理论指出植物既在茎附近局部过度增殖根，又在与相邻根系重叠时减少吸收营养范围，其可能由营养成分吸收的空间成本决定。

根系获得土壤资源的能力决定了植物的产量，并受与其他植物根系竞争的高度影响。但是，我们对土壤中完整的根系的观察很少，缺乏针对根系对环境的响应的综合理论。此外，植物的根系代表了一个巨大的碳库，可储存世界上约三分之一的植物碳，并且了解根系对地下竞争的反应对于预测植被的碳吸收和设计缓解气候变化的策略至关重要。

植物可以感知土壤营养以及非自身根和非亲缘根的存在，并对这些刺激产生表型响应。但是其机理尚不清楚。以往研究表明，相邻植物趋于将其根系之间的重叠最小化。但是具体情况仍然不清楚。

该研究通过模拟表明从远离植物茎的位置增加的养分运输成本，为根部吸收营养带来空间维度。该成本限制了根吸收的程度，导致相邻植物之间根系的部分隔离。但是，在靠近植物茎的地区情况却有所不同：低的养分运输成本使过多的根系生产便宜，并具有与远方迁徙的邻居的根系的竞争优势;该模型预测，植物根系应避免昂贵的前往邻近地区的行程，但会确保离自己较近的资源。因此，在低成本的地区增加根系生产，但减少与相邻根系的重叠。后者以前被解释为合作行为或领土防卫，但该研究证实是因为受养分运输成本约束的自私战略的一部分。

该研究进一步证实茂密的植被中最强的根系生产应该是最强的，竞争植物之间的距离很短，从而无法独占资源，而根系建设成本低的生产性生态系统或物种中。这表明涉及高施肥率和高种植密度的农业实践特别有利于竞争性根系增殖，但以经济上必不可少的产量为代价。因此，通过根据根系空间行为调整作物的间隔和施肥方式，可以实现最佳的肥料利用率和更高的产量。通过培育低矮的作物品种并降低了对邻居的阴影的响应能力，也能实现更高的产量。

综上所述，该研究表明植物根系生产的进化模型并不要求植物能够检测竞争者，而是纯粹由资源动力学驱动。