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Nature：中美科学家解密根系在植物进化和适应过程中的推动作用

来源：花匠小妙招时间：2025-05-02 11:52

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种类繁多、多姿多彩的植物让我们生活的地球更加美丽，也是人类赖以生存的重要基础。在漫长的地球历史中，植物不断适应着环境，发展出了39万余个植物物种。它们的进化历程，让无数植物学家和生态学家为之着迷。长期以来，关于植物进化的理论框架主要集中在于叶片、花等地上部分，但对于地下部分的根系结构和功能组织方式，人们却知之甚少。

近日，中国科学院地理科学与资源研究所与美国普林斯顿大学的一项合作研究成果以“Evolutionary history resolves global organization of root functional traits”为题发表在Nature杂志上。该研究发现，植物根系在植物进化和适应的过程中起着关键的推动作用。

根是植物养分和水分获取的主要的营养器官，其进化时间可能晚于茎和叶，但在实际功能上，很有可能是植物生存和传播，进入不同生物群区的重要因素。植物在4亿年前，普遍矮小，真正的叶片未形成，根也不是真正的根，菌根菌可能与一些根细胞建立了共生关系，初期也许只有几十种差异不太大的植物，主要生活在沼泽地。植物登陆以来，其根系在形态和功能上都发生了多样的分化。但如何用一种统一的理论来解释根系对植物适应环境的作用，却一直是生态学家所关注的热点和难点。

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该研究从全球7个生物群区收集了369种植物，选择生理代谢最强的一级根，分析了它们的10个功能性状，以期系统阐释吸收根的生物地理格局。该研究发现，在长达4亿年的进化过程，植物的地下根系很可能在以一种更加高效、独立的适应方式，为不同植物“制定”了不同的养分、水分的吸收策略，从而推动植物的进化历程。在湿润多雨的热带雨林，植物的根不怎么“考虑”水分供应的安全性，各种各样的根系都在这里肆意生长，它们也更愿意与一些共生真菌共同生活，互相“帮衬”。在这一区域，很多非常古老的物种属性得以保存，根系的多样性很高。但在水分紧缺的草原和荒漠地区，情况则完全不同。植物的根尖变得更细，这有利于它们深入到贫瘠的土壤里，获取重要的营养物质。由于这些地区的环境不可预知性很强，资源供应也不稳定，根系还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’，它们不断优化着自己的‘投资效率’，更加高效地抓住稍纵即逝的养分和水分资源，促进了物种的传播和扩散。迫于环境的压力，这些地方植物的根系大都比较相似，多样性很低。

Root trait dimensions organized by root diameter and growth form.

研究人员认为，植物的根系有两种生存策略，一种为保守策略，体现为粗根物种和共生菌根共同获取资源；另一种为机会主义策略，物种可以快速增殖较细的吸收根，从而高效获取不稳定的土壤水分和养分。这项工作解开了植物生存和传播的一些隐藏的“潜规则”，对人类对建立气候模型、理解生物圈至关重要，也对更好地管理植物世界具有重要意义。这个理论也解释为什么古老的粗根物种在进化史被逐渐淘汰；而一些细根的物种具有较强的入侵性；而粗根的物种很难入侵，这些知识将在生态保护的工作得以应用。

中国科学院地理科学与资源研究所助理研究员马泽清、研究员郭大立和美国普林斯顿大学Lars Hedin教授为该论文的共同贡献作者。这项成果凝结了郭大立研究员毕生对根系结构和功能的探索。但令人扼腕的是，在论文发表之际，郭大立因病与世长辞，郭老师的不幸去世是植物学和生态学界的巨大损失。他不断创新、追求卓越的精神和对科学研究的热情，将激励我们不断前进，去完成他未竟的事业。New Phytologist对郭大立研究员的生平做了介绍。原文链接：

https://www.newphytologist.org/news/view/178