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【中國科學報】植物如何活著,“朋友圈”說了算

文章來源:中國科學報   胡珉琦     發表時間:2019-10-18 

  ■本报记者 胡珉琦 

  地球上共有30多萬種植物,它們構成了一個極爲複雜的社會。和動物一樣,植物也有個體行爲,並由此産生出不同的相互關系。正是這些關系維持著這個社會的繁榮。

  然而,這種繁榮存在著顯著的差異,隨著緯度的提升,植物的多樣性越來越低。幾十年來,生態學家孜孜以求,就是爲了找出這個社會究竟如何競爭、如何合作,才形成現在的共存格局。

  最近,中科院植物研究所的科研团队 “扒出”了植物的“朋友圈”,找到了共存机制新的破解法。这项研究成果在线发表于《科学》。

  同種“鄰居”太多不利于生存 

  13年前,在浙江開化的古田山上,中國的生態學家劃出了一塊24公頃的亞熱帶森林大樣地,對超過14萬棵木本植物進行了動態監測,包括了159個物種,隸屬于49個科、104個屬。

  他們的核心目標只有一個,解釋植物究竟是如何共存的,它們的多樣性爲什麽能夠長期、穩定地維持。這一直是生態學研究的熱點。

  也是從那時起,論文第一作者、剛到中科院植物所讀博的陳磊就開始追蹤起了古田山樣地裏幼苗的動態。

  在研究過程中,他發現了一個很有意思的現象。如果一株幼苗的周圍普遍都是同種“鄰居”,它的生長就會受限甚至死亡;相反,它的“鄰居”種類越豐富,這株幼苗長得也越茁壯。

  個體的生存問題,竟由鄰居來決定!已是該所助理研究員的陳磊說,這背後的原因,可以用20世紀70年代,美國生態學家Janzen和Connell建立的一個物種共存理論——負密度制約來解釋。

  當病原菌、植食性昆蟲這些具有寄主專一性的天敵在樹木個體周圍聚集時,很容易通過損害鄰近同種個體的種子和幼苗,使得它們具有較高的死亡率。並且,當一個物種的種群數量不斷增加時,同種損害行爲會更劇烈。這就解釋了,爲什麽同種“鄰居”太多,反而不利于生存。

  這一機制還意味著,周圍的其他物種,尤其是個體數量很少的稀有種,會因此得到更多生存資源和空間,從而促進群落物種多樣性的維持。所以,負密度制約越強,物種多樣性就越高。

  這是物種共存機制研究的一個重要假說,但陳磊卻表示,學界經常爲此爭論不休。

  “这是因为,这一假说的提出以及与之相关的大量研究成果,都是基于1980年美国科学家在巴拿马Barro Colorado岛建立的热带森林大型监测样地(BCI)。而科学家需要知道:它能够解释当今全球植物多样性的分布格局吗?它在任何地区都普遍适用吗?它在不同的自然群落中表现的强度有差异吗?”他说。

  不同研究團隊得到的結果往往大相徑庭。于是,論文通訊作者、中科院植物所研究員馬克平,就帶領團隊在中國的亞熱帶森林大樣地中作進一步驗證。

  “好朋友”和“壞朋友”相互作用 

  負密度制約理論最關鍵的驅動因素是病原菌,它直接降低了群落優勢種的存活率。團隊就把土壤真菌作爲了研究的切入點。

  陳磊介紹,在自然界中,土壤真菌的種類極其豐富,植物個體的“朋友圈”裏不只有病原菌這個“壞朋友”。有的可以爲共生植物提供養分,保護它們免受病原微生物的侵害,比如外生菌根真菌、叢枝菌根真菌就是植物的“好朋友”。

  順著這個思路,一個意外的收獲最終主導了這項研究的方向。他們發現,外生菌根植物和叢枝菌根植物的分布也存在緯度梯度的差異。

  陳磊告訴《中國科學報》,目前,全球70%以上的物種都屬于叢枝菌根植物,在熱帶它們更是占據了絕對主力。而在亞熱帶,叢枝菌根植物的多樣性雖然高于外生菌根植物,但外生菌根植物的地上生物量卻遙遙領先,例如如松科、殼鬥科、桦木科植物,它們似乎更不容易受到負密度制約的影響。

  “朋友圈”的組成會不會是探討物種共存機制新的突破口?

  于是,中科院植物所團隊聯合美國馬裏蘭大學和中科院微生物所的合作者,在樣地內選取了34個物種、320個植物個體,利用高通量測序技術測定了植物根際土壤真菌群落的組成。並結合林下幼苗9年的動態監測數據,計算出了樹木在生長過程中,累積病原菌和外生菌根真菌的速度。

  結果發現,植物累積兩種真菌的速度在物種間是有差異的,由此造成的同種植物幼苗負密度制約的強度也截然不同。

  “叢枝菌根植物與外生菌根植物相比,它的共生真菌保護作用主要體現在營養吸收方面,對有害病原菌積累的抵禦作用更弱,受同種鄰居密度制約的限制就更大。”陳磊解釋,“外生菌根植物恰好相反,它們的根部就像穿了一層‘防彈衣’,可以直接抵抗病原菌的入侵,以至于它們更容易與同種鄰居和平共處,甚至還能幫助周圍的叢枝菌根植物降低同種損害的影響。”

  “不僅僅是病原菌,而是不同功能型土壤真菌的相互作用決定了植物與植物之間的共存關系。”馬克平表示,這項研究豐富了原有經典的物種共存理論框架,進而解釋了當今全球植物多樣性在緯度梯度上的分布格局。

  物種共存研究不止于“朋友圈” 

  “森林生態系統研究就像一個俄羅斯套娃,打開一個還有一個。”在陳磊眼裏,森林中有挖不完的科學寶藏。

  從植物與植物的關系,到植物與病原菌的關系,再到病原菌與有益真菌的關系,生態學和生物多樣性的研究者在研究物種共存機制的過程中,正走向多種科學領域相互交叉的廣闊世界。

  在馬克平看來,要想及時、准確地發現這片複雜研究版圖中的缺口,並找到填補的辦法,越來越需要依靠知識經驗,特別是數據的長期積累和共享。

  他不止一次強調,要把生態學研究做成“百年老店”:“重視平台建設,堅持系統性的、延續性的研究內容,才可能産出好的成果。”

  作爲這項研究的延伸,陳磊提出了一個新的思考方向。在未來氣候變化背景下,叢枝菌根植物和外生菌根植物對環境變化的響應會是完全不同的,全球植物多樣性分布格局的變化也必然會受此影響。“我們必須把不同功能型土壤真菌這一因素納入全球物種分布模型的範疇,才能更好地理解和預測森林物種多樣性對氣候變化的響應。”

  此外,馬克平還在考慮基礎研究能否帶來實際應用的樣板。

  我國的亞熱帶常綠闊葉林在世界範圍內分布面積最廣,也最具典型性,但大部分常綠闊葉林已遭破壞,如何保育並對退化的森林進行生態修複,是一項持久挑戰。

  爲此,他希望,理解亞熱帶常綠闊葉林群落的構建和維持,最終可以爲具體的修複工作提供實際指導,例如,如何對不同菌根類型植物進行設計組合,才能促進群落的生存和生態系統功能。

  相關論文信息: 

  https://doi.org/10.1126/science.aau1361 

(原载于《中国科学报》 2019-10-18 第1版 要闻)


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