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植物在土壤資源獲取和防御能力之間進(jìn)行權(quán)衡以適應(yīng)復(fù)雜的地下環(huán)境，這包括與不同類型的根系相關(guān)微生物，如叢枝菌根（AM）和外生菌根（EcM）真菌建立共生合作關(guān)系。植物在不同策略間的權(quán)衡通過介導(dǎo)根組織化學(xué)成分，對分解過程中的養(yǎng)分釋放產(chǎn)生遺留效應(yīng)，這反過來又可能影響新生根系重新獲取資源的能力，從而形成反饋循環(huán)。然而，這種反饋循環(huán)過程間的內(nèi)在聯(lián)系很大程度上仍未被量化。鑒于此，本研究提出了基于性狀的根系“獲?。ˋcquisition)-防御（Defence）-分解（Decomposition）”概念框架（簡稱ADD，圖1a），通過量化中國溫帶和亞熱帶森林90種被子樹種吸收根關(guān)鍵功能性狀，檢驗樹木如何協(xié)調(diào)根系資源獲取、化學(xué)防御和養(yǎng)分再利用（通過根系分解釋放養(yǎng)分），從而在根系-土壤系統(tǒng)中形成養(yǎng)分反饋循環(huán)。

研究發(fā)現(xiàn)，根經(jīng)濟空間中的“根-真菌共生”梯度與根化學(xué)防御（縮合單寧）和根分解速率密切相關(guān)，根系對共生真菌的依賴性越強，其化學(xué)防御越低，進(jìn)而導(dǎo)致了更快的分解，這些權(quán)衡和遺留效應(yīng)為ADD概念框架提供了初步證據(jù)。同時，在科水平上發(fā)現(xiàn)，根系對共生真菌的依賴性與植物進(jìn)化歷史有關(guān)，根系的總體進(jìn)化趨勢朝著對共生真菌的依賴性降低，而加強對自身根系防御投資的方向進(jìn)行，從而導(dǎo)致更慢的養(yǎng)分歸還。

此外，進(jìn)化歷史塑造了植物對菌根真菌依賴性的轉(zhuǎn)變，進(jìn)而導(dǎo)致地下綜合策略和養(yǎng)分循環(huán)模式的改變。即，由進(jìn)化較古老類群的“高AM共生-低防御-快分解-無機養(yǎng)分”快循環(huán)系統(tǒng)，逐漸過渡到更現(xiàn)代類群的“高EcM共生-高防御-慢分解-有機養(yǎng)分”慢循環(huán)系統(tǒng)，形成了漸進(jìn)式梯度的地下養(yǎng)分循環(huán)模式。這種演變趨勢對包括資源獲取和防御在內(nèi)的多維地下策略和養(yǎng)分循環(huán)模式具有深遠(yuǎn)影響。這一發(fā)現(xiàn)，從地下根和菌根性狀角度拓展了菌根樹種養(yǎng)分經(jīng)濟框架，突破了傳統(tǒng)AM主導(dǎo)森林系統(tǒng)和EcM主導(dǎo)森林系統(tǒng)二分法的局限性。

ADD概念框架與我們團(tuán)隊前期提出的“獲?。℅et）-保存（Save）-歸還（Return）”GSR連續(xù)體框架，覆蓋了森林生態(tài)系統(tǒng)養(yǎng)分循環(huán)地上、地下關(guān)鍵過程，為深入理解森林養(yǎng)分循環(huán)模式、生產(chǎn)力形成地下基礎(chǔ)及物種共存地下機制提供新視角，同時為人工林高效培育和可持續(xù)經(jīng)營提供理論基礎(chǔ)。

研究成果近期在線發(fā)表于Nature Communications，第一作者為博士后鄭甲佳，通訊作者為寇亮研究員。合作者包括法國國家科研中心Grégoire T. Freschet研究員，愛沙尼亞塔爾圖大學(xué)Leho Tedersoo教授，中國科學(xué)院地理資源所李勝功研究員、王輝民研究員、付曉莉研究員等。該研究得到了國家自然科學(xué)基金優(yōu)青、重點及法國卓越實驗室基金等資助和支持。

該成果也是研究組前期理論研究的進(jìn)一步深化(Yan et al.,2022 New Phytologist;Yi et al.,2023 New Phytologist;Jiang et al. 2021,New Phytologist;Jiang et al. 2023 Journal of Ecology)。

論文信息:Zheng JJ,Freschet GT,Tedersoo L,Li SG,Yan H,Jiang L,Wang HM,Ma N,Dai XQ,Fu XL,Kou L*. A trait-based root acquisition-defence-decomposition framework in angiosperm tree species.?Nature Communications 15,5311 (2024).?

論文鏈接:https://www.nature.com/articles/s41467-024-49666-3

圖1?根系統(tǒng)“獲取-防御-分解”反饋循環(huán)概念框架

圖2 基于“獲取-防御-分解”反饋循環(huán)的物種綜合策略