Pepparplantor odlades i ett växthus på Museo Nacional de Ciencias Naturales (CSIC) i Madrid för att undersöka hur deras beteende under marken skilde sig när de planterades ensamma jämfört med en granne. Kredit:Ciro Cabal, Princeton University
Du kanske har observerat växter som tävlar om solljus - hur de sträcker sig uppåt och utåt för att blockera varandras tillgång till solens strålar - men utom synhåll pågår en annan typ av konkurrens under jorden. På samma sätt som du kanske ändrar sättet du söker efter gratis snacks i pausrummet när dina kollegor är närvarande, ändrar växter sin användning av underjordiska resurser när de planteras tillsammans med andra växter.
I en tidning publicerad idag i Science , ett internationellt team av forskare under ledning av Princeton-studenten Ciro Cabal belyser växternas underjordiska liv. Deras forskning använde en kombination av modellering och ett växthusexperiment för att ta reda på om växter investerar annorlunda i rotstrukturer när de planteras ensamma jämfört med när de planteras tillsammans med en granne.
"Den här studien var väldigt rolig eftersom den kombinerade flera olika typer av sinnesgodis för att förena till synes motsägelsefulla resultat i litteraturen:ett smart experiment, en ny metod för att observera rotsystem i intakta jordar och enkel matematisk teori," sa Stephen Pacala, Frederick D. Petrie professor i ekologi och evolutionsbiologi (EEB) och seniorförfattaren på tidningen.
"Medan de ovanjordiska delarna av växter har studerats omfattande, inklusive hur mycket kol de kan lagra, vet vi mycket mindre om hur underjordiska delar - det vill säga rötter - lagrar kol", säger Cabal, en Ph.D. student i Pacalas labb. "Eftersom ungefär en tredjedel av världens vegetationsbiomassa, alltså kol, finns under jord, är vår modell ett värdefullt verktyg för att förutsäga rotproliferation i globala jordsystemmodeller."
Hur lagrar växtrötter kol? Princeton-forskare fann att energin en växt ägnar åt sina rötter beror på närheten till andra växter:när de är nära varandra investerar växter mycket i sina rotsystem för att konkurrera om ändliga underjordiska resurser; om långt ifrån varandra investerar de mindre. Eftersom ungefär en tredjedel av världens vegetationsbiomassa (och kol) finns under jord, ger denna modell ett värdefullt verktyg för att förutsäga rotproliferation i globala jordsystemmodeller. Pepparplantorna odlades i ett växthus på Museo Nacional de Ciencias Naturales (CSIC) i Madrid för att undersöka hur deras beteende under jorden skiljde sig när de planterades ensamma eller tillsammans med en granne. Rötterna på närliggande pepparväxter färgades olika färger (genom injektion) för att urskilja vilka rötter som hörde till vilken växt. Kredit:Ciro Cabal, Princeton University
Växter gör två olika typer av rötter:fina rötter som absorberar vatten och näring från jorden, och grova transportrötter som transporterar dessa ämnen tillbaka till växtens centrum. Växts "investering" i rötter involverar både den totala volymen av producerade rötter och hur dessa rötter är fördelade i jorden. En växt kan koncentrera alla sina rötter direkt under sina skott, eller så kan den sprida sina rötter horisontellt för att söka föda i den intilliggande jorden - vilket riskerar att konkurrera med rötterna på närliggande växter.
Teamets modell förutspådde två potentiella resultat för rotinvesteringar när växter finner sig själva dela jord. I det första resultatet "samarbetar" de närliggande växterna genom att separera sina rotsystem för att minska överlappningen, vilket leder till att de producerar mindre rötter totalt sett än de skulle göra om de var ensamma. I det andra resultatet, när en växt känner av minskade resurser på ena sidan på grund av närvaron av en granne, förkortar den sitt rotsystem på den sidan men investerar mer i rötter direkt under stammen.
Naturligt urval förutspår detta andra scenario, eftersom varje växt agerar för att öka sin egen kondition, oavsett hur dessa handlingar påverkar andra individer. Om växter är mycket nära varandra kan denna ökade investering i rotvolym, trots segregering av dessa rötter, resultera i en tragedi för allmänningen, varvid resurserna (i detta fall markfuktighet och näringsämnen) utarmas.
För att testa modellens förutsägelser odlade forskarna pepparplantor i ett växthus både individuellt och i par. I slutet av experimentet färgade de växternas rötter i olika färger så att de lätt kunde se vilka rötter som tillhörde vilken växt. Sedan beräknade de den totala biomassan för varje växts rotsystem och förhållandet mellan rötter och skott, för att se om växter förändrade hur mycket energi och kol de avsatte i underjordiska och ovanjordiska strukturer när de planterades bredvid grannar, och räknade antalet frön som producerades av varje växt som ett mått på relativ kondition.
Teamet upptäckte att resultatet beror på hur nära ett par växter är varandra. Om de planteras mycket nära varandra, kommer växter att vara mer benägna att investera kraftigt i sina rotsystem för att försöka konkurrera ut varandra om ändliga underjordiska resurser; om de planteras längre ifrån varandra kommer de sannolikt att investera mindre i sina rotsystem än en ensam växt skulle göra.
Specifikt fann de att när de planterades nära andra, ökade pepparväxter investeringar i rötter lokalt och minskade hur långt de sträckte sina rötter horisontellt, för att minska överlappning med grannar. Det fanns inga bevis för ett scenario med "allmänningens tragedi", eftersom det inte fanns någon skillnad i den totala rotbiomassan eller relativa investeringar i rötter jämfört med ovanjordiska strukturer (inklusive antalet frön producerade per planta) för solitära kontra samboväxter .
Växter tar bort koldioxid från atmosfären och deponerar den i sina strukturer - och en tredjedel av detta vegetativa kol lagras i rötter. Att förstå hur koldepositionen förändras i olika scenarier kan hjälpa oss att mer exakt förutsäga kolupptaget, vilket i sin tur kan hjälpa till att utforma strategier för att mildra klimatförändringarna. Denna forskning kan också hjälpa till att optimera livsmedelsproduktionen, för för att maximera skörden är det bra att förstå hur man optimalt använder underjordiska (och ovanjordiska) resurser.
Referens:"Den exploaterande segregationen av växtrötter" av Ciro Cabal, Ricardo Martínez-García, Aurora de Castro, Fernando Valladares och Stephen W. Pacala, 4 december 2020, Science .
DOI:10.1126/science.aba9877
De andra medförfattarna på tidningen är Ricardo Martínez-García, en före detta postdoktor i EEB som nu är professor vid South American Institute for Fundamental Research; Aurora de Castro, som arbetade med projektet som en del av en grundexamen för Institutionen för biogeografi och globala förändringar vid det spanska nationalmuseet för naturvetenskap; och Fernando Valladares, docent vid institutionen för biologi, geologi, fysik och oorganisk kemi vid Rey Juan Carlos University och en forskare vid institutionen för biogeografi och global förändring vid det spanska nationalmuseet för naturvetenskap.
"Den exploaterande segregationen av växtrötter", av Ciro Cabal, Ricardo Martínez-García, Aurora de Castro, Fernando Valladares och Stephen W. Pacala, visas i numret av Science den 4 december. (DOI:10.1126/science.aba9877). Detta arbete stöddes av Princeton University May Fellowship vid institutionen för ekologi och evolutionsbiologi; Gordon och Betty Moore Foundation (bidrag GBMF2550.06); Instituto Serrapilheira (bidrag Serra-1911-31200); São Paulos forskningsstiftelse (bidrag ICTP-SAIFR 2016/01343-7); Programa Jovens Pesquisadores em Centros Emergentes (2019/24433-0); Simons Foundation; det spanska ministeriet för vetenskap, innovation och universitet (COMEDIAS-anslag CGL2017-83170-R); och Princeton Environmental Institute Carbon Mitigation Initiative.
