Rośliny papryki hodowano w szklarni w Museo Nacional de Ciencias Naturales (CSIC) w Madrycie, aby zbadać, jak różni się ich zachowanie pod ziemią, gdy są sadzone same w porównaniu z sąsiadami. Źródło:Ciro Cabal, Uniwersytet Princeton
Mogłeś zaobserwować rośliny konkurujące o światło słoneczne – sposób, w jaki rozciągają się w górę i na zewnątrz, aby blokować sobie nawzajem dostęp do promieni słonecznych – ale poza zasięgiem wzroku pod ziemią ma miejsce inny rodzaj konkurencji. W ten sam sposób, w jaki możesz zmienić sposób zdobywania bezpłatnych przekąsek w pokoju socjalnym, gdy obecni są Twoi koledzy, rośliny zmieniają wykorzystanie podziemnych zasobów, gdy są sadzone obok innych roślin.
W artykule opublikowanym dzisiaj w Science , międzynarodowy zespół naukowców kierowany przez doktoranta z Princeton Ciro Cabal rzuca światło na podziemne życie roślin. W ich badaniach wykorzystano kombinację modelowania i eksperymentu szklarniowego, aby odkryć, czy rośliny sadzone są inaczej w struktury korzeniowe, gdy sadzi się je samodzielnie, w porównaniu z sadzeniem obok sąsiada.
„To badanie było świetną zabawą, ponieważ łączyło kilka różnych rodzajów cukierków umysłowych, aby pogodzić pozornie sprzeczne wyniki w literaturze:sprytny eksperyment, nową metodę obserwacji systemów korzeniowych w nienaruszonej glebie i prostą teorię matematyczną” – powiedział Stephen Pacala, Frederick D. Petrie Professor w dziedzinie ekologii i biologii ewolucyjnej (EEB) i starszy autor artykułu.
„Podczas gdy nadziemne części roślin zostały szeroko zbadane, w tym ile węgla mogą magazynować, wiemy znacznie mniej o tym, jak części podziemne – czyli korzenie – magazynują węgiel” – powiedział dr Cabal. student w laboratorium Pacali. „Ponieważ około jedna trzecia światowej biomasy roślinnej, a więc węgla, znajduje się pod ziemią, nasz model stanowi cenne narzędzie do przewidywania proliferacji korzeni w globalnych modelach systemów ziemskich”.
Jak korzenie roślin gromadzą węgiel? Naukowcy z Princeton odkryli, że energia, jaką roślina poświęca swoim korzeniom, zależy od bliskości innych roślin:rośliny znajdujące się blisko siebie intensywnie inwestują w swoje systemy korzeniowe, aby konkurować o ograniczone zasoby podziemne; jeśli są daleko od siebie, inwestują mniej. Ponieważ około jedna trzecia światowej biomasy roślinnej (i węgla) znajduje się pod ziemią, model ten stanowi cenne narzędzie do przewidywania proliferacji korzeni w globalnych modelach systemów ziemskich. Rośliny papryki hodowano w szklarni w Museo Nacional de Ciencias Naturales (CSIC) w Madrycie, aby zbadać, jak różni się ich zachowanie pod ziemią, gdy są sadzone pojedynczo lub obok sąsiada. Korzenie sąsiednich roślin papryki barwiono na różne kolory (przez wstrzyknięcie), aby odróżnić, które korzenie należały do której rośliny. Źródło:Ciro Cabal, Uniwersytet Princeton
Rośliny tworzą dwa różne rodzaje korzeni:drobne korzenie, które absorbują wodę i składniki odżywcze z gleby oraz grube korzenie transportujące, które przenoszą te substancje z powrotem do centrum rośliny. „Inwestycja” roślin w korzenie obejmuje zarówno całkowitą objętość wytworzonych korzeni, jak i sposób ich rozmieszczenia w glebie. Roślina może skoncentrować wszystkie swoje korzenie bezpośrednio pod pędami lub może rozłożyć swoje korzenie poziomo, aby pożywić się w sąsiedniej glebie — co grozi konkurencją z korzeniami sąsiednich roślin.
Model zespołu przewidział dwa potencjalne skutki inwestycji w korzenie, gdy rośliny będą dzieliły glebę. W pierwszym wyniku sąsiednie rośliny „współpracują” poprzez segregację swoich systemów korzeniowych w celu zmniejszenia nakładania się, co prowadzi do ogólnej produkcji mniejszej liczby korzeni, niż gdyby były samotne. W drugim wyniku, gdy roślina wyczuwa ograniczone zasoby z jednej strony z powodu obecności sąsiada, skraca system korzeniowy z tej strony, ale inwestuje więcej w korzenie bezpośrednio pod łodygą.
Dobór naturalny przewiduje ten drugi scenariusz, ponieważ każda roślina działa w celu zwiększenia własnej sprawności, niezależnie od tego, jak te działania wpływają na inne osobniki. Jeśli rośliny są bardzo blisko siebie, ta zwiększona inwestycja w objętość korzeni, pomimo segregacji tych korzeni, może doprowadzić do tragedii wspólnego obszaru, przez co zasoby (w tym przypadku wilgotność gleby i składniki odżywcze) zostaną wyczerpane.
Aby przetestować przewidywania modelu, naukowcy hodowali paprykę w szklarni zarówno pojedynczo, jak i w parach. Pod koniec eksperymentu ufarbowali korzenie roślin na różne kolory, aby łatwo było zobaczyć, które korzenie należą do której rośliny. Następnie obliczyli całkowitą biomasę systemu korzeniowego każdej rośliny i stosunek korzeni do pędów, aby zobaczyć, czy rośliny zmieniły ilość energii i węgla, które zdeponowały w strukturach podziemnych i nadziemnych, gdy sadzi się je obok sąsiadów, i policzyli liczbę nasion wytworzonych przez każda roślina jako miara względnej sprawności.
Zespół odkrył, że wynik zależy od tego, jak blisko siebie znajduje się para roślin. Rośliny sadzone bardzo blisko siebie z większym prawdopodobieństwem zainwestują w swoje systemy korzeniowe, próbując konkurować ze sobą o ograniczone zasoby podziemne; jeśli są sadzone dalej od siebie, prawdopodobnie zainwestują mniej w swoje systemy korzeniowe niż samotnie.
W szczególności odkryli, że sadzonki papryki sadzone w pobliżu innych roślin zwiększyły inwestycje w korzenie lokalnie i zmniejszyły poziom rozciągnięcia korzeni, aby zmniejszyć nakładanie się na sąsiednie. Nie było dowodów na scenariusz „tragedii wspólnego dobra”, ponieważ nie było różnicy w całkowitej biomasie korzeni lub względnych inwestycjach w korzenie w porównaniu ze strukturami nadziemnymi (w tym liczba nasion wyprodukowanych na roślinę) w przypadku roślin samotnych i współżyjących .
Rośliny usuwają dwutlenek węgla z atmosfery i odkładają go w swoich strukturach – a jedna trzecia tego wegetatywnego węgla jest magazynowana w korzeniach. Zrozumienie, w jaki sposób odkładanie się węgla zmienia się w różnych scenariuszach, może pomóc nam dokładniej przewidywać absorpcję węgla, co z kolei może pomóc w opracowaniu strategii łagodzenia zmiany klimatu. Badania te mogą również pomóc zoptymalizować produkcję żywności, ponieważ w celu maksymalizacji plonów warto zrozumieć, jak optymalnie wykorzystywać zasoby podziemne (i naziemne).
Odniesienie:„Wyzyskująca segregacja korzeni roślin” Ciro Cabal, Ricardo Martínez-García, Aurora de Castro, Fernando Valladares i Stephen W. Pacala, 4 grudnia 2020 r., Science .
DOI:10.1126/science.aba9877
Innymi współautorami artykułu są Ricardo Martínez-García, były doktor habilitowany w EEB, który obecnie jest profesorem w Południowoamerykańskim Instytucie Badań Podstawowych; Aurora de Castro, która pracowała nad projektem w ramach pracy licencjackiej na Wydziale Biogeografii i Zmiany Globalnej w Hiszpańskim Narodowym Muzeum Nauk Przyrodniczych; oraz Fernando Valladares, profesor nadzwyczajny na Wydziale Biologii, Geologii, Fizyki i Chemii Nieorganicznej na Uniwersytecie Rey Juan Carlos oraz badacz na Wydziale Biogeografii i Zmian Globalnych w Hiszpańskim Narodowym Muzeum Nauk Przyrodniczych.
„Wyzyskująca segregacja korzeni roślin” Ciro Cabal, Ricardo Martínez-García, Aurora de Castro, Fernando Valladares i Stephen W. Pacala, pojawia się w numerze Science z 4 grudnia. (DOI:10.1126/science.aba9877). Praca ta była wspierana przez stypendium Princeton University May Fellowship w Departamencie Ekologii i Biologii Ewolucyjnej; Fundacja Gordona i Betty Moore (dotacja GBMF2550.06); Instituto Serrapilheira (dotacja Serra-1911-31200); Fundacja Badawcza São Paulo (dotacja ICTP-SAIFR 2016/01343-7); Programa Jovens Pesquisadores em Centros Emergentes (2019/24433-0); Fundacja Simonsa; hiszpańskie Ministerstwo Nauki, Innowacji i Uniwersytetów (grant COMEDIAS CGL2017-83170-R); oraz Princeton Environmental Institute Carbon Mitigation Initiative.
