十年樹木，百年樹人。樹木的生長是一場漫長的旅程，而其“根本”—最細(xì)的根尖，卻有著截然不同的生命節(jié)奏。
“吸收根是植物最細(xì)的根，其壽命是預(yù)測生態(tài)系統(tǒng)碳和養(yǎng)分循環(huán)的關(guān)鍵參數(shù)。”中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所研究員馬澤清告訴《中國科學(xué)報(bào)》，吸收根是植物根系中前兩級根，是根系最末端的分枝，主要承擔(dān)著吸收水分和養(yǎng)分的功能。
然而，在復(fù)雜的土壤環(huán)境中，究竟哪些生物因素影響了吸收根的壽命？
經(jīng)過十年追蹤，馬澤清團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，亞熱帶不同樹種吸收根壽命存在顯著差異，低至91天、高至545天，土壤病原微生物對吸收根壽命的影響超過植食性的線蟲，且外源性生物因子與根壽命之間存在顯著的非線性負(fù)相關(guān)關(guān)系。近日，相關(guān)研究成果發(fā)布于《生態(tài)學(xué)快報(bào)》。
對此，審稿人和編輯評價(jià)：“這是一項(xiàng)極具創(chuàng)新性與重要性的研究，不僅為吸收根壽命提供了多維的定量研究框架，增進(jìn)了根系壽命控制因子的機(jī)制性理解，還填補(bǔ)了亞熱帶根系壽命多樣性的研究空白，為根系功能和地下生物多樣性形成奠定了基礎(chǔ)。”
樹木根壽命的多維生物金字塔限制框架（受訪者供圖）
尋“根”究底
“吸收根像是樹木的‘吸管’，負(fù)責(zé)吸收水分和養(yǎng)分，其壽命長短直接影響了森林的碳循環(huán)和養(yǎng)分循環(huán)。”馬澤清打了個比方，傳統(tǒng)研究大多關(guān)注“吸管”本身的“材質(zhì)”——直徑大且氮含量低的吸收根通常壽命更長。
然而，在現(xiàn)實(shí)復(fù)雜的土壤環(huán)境中，各種各樣的生物活動都直接影響著吸收根的生存。“不少人認(rèn)為，根越粗，根的壽命就越長。”馬澤清指出，但這只是“內(nèi)因”，線蟲的啃咬、病菌和細(xì)菌的侵?jǐn)_，對吸收根的影響均未得到量化，他們開始好奇，“植物的吸收根到底是被‘吃死的’還是‘病死的’？”
因此，馬澤清團(tuán)隊(duì)著手尋找起啃咬“吸管”的“真兇”。
他們率先瞄準(zhǔn)亞熱帶生態(tài)系統(tǒng)中的不同樹種，在江西樟樹亞熱帶同質(zhì)園中布設(shè)了128根微根管，經(jīng)過近兩年的監(jiān)測，共獲取了6萬多張根系圖像，來分析16個亞熱帶樹種的吸收根壽命。
同時(shí)，該團(tuán)隊(duì)還系統(tǒng)采集了根形態(tài)、構(gòu)型、化學(xué)功能性狀、葉片功能性狀、根際線蟲密度及微生物群落等多維數(shù)據(jù)，全面評估了內(nèi)源與外源生物因子對吸收根壽命的影響。
研究結(jié)果令研究團(tuán)隊(duì)感到驚訝。不同于傳統(tǒng)觀念中，食草線蟲會嚴(yán)重破壞植物根系。他們發(fā)現(xiàn)，土壤中的植物病原微生物竟然才是“主要兇手”。
“病原真菌、病原細(xì)菌和食草線蟲對植物吸收根的壽命影響高達(dá)36%，其中食草線蟲僅占8%，病原微生物的貢獻(xiàn)則高達(dá)28%。”
為什么會有如此顯著的差異？他和團(tuán)隊(duì)決定更進(jìn)一步，發(fā)現(xiàn)原來植食性的線蟲主要以機(jī)械損傷和化學(xué)誘導(dǎo)間接影響根壽命，作用相對緩和，但病原真菌則通過分泌細(xì)胞壁降解酶類加速植物根系組織的腐爛。
更為關(guān)鍵的是，外源生物因子對吸收根壽命的影響并不是線性下降，而存在著一個臨界值，超過該值后壽命下降趨勢趨于平緩。
“在面對生物脅迫時(shí)，植物吸收根可能采取兩種策略：‘保守長壽命’型與‘機(jī)會主義短壽命’型。”馬澤清舉了個例子，比如有的植物根系不怕被“吃”，“吃”得越快、生長得越快；有的則一出生就帶著極強(qiáng)的防御功能，難以被“吃掉”；還有的更加靈活，只有外源生物因子靠近時(shí)，才有所反應(yīng)，“這都反映出根系與土壤生物在長期協(xié)同進(jìn)化中形成的動態(tài)平衡。”
十年追“兇”
“最初，觀測根系壽命的想法受到中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所研究員郭大立的影響。”通過根系聯(lián)網(wǎng)觀測，來研究吸收根的壽命來探究大氣碳轉(zhuǎn)化為土壤碳的速率。
別看這些根小，但有著很大的影響力：當(dāng)根系死亡，土壤微生物通過分解死亡根系中的有機(jī)物質(zhì)，將碳以二氧化碳等形式釋放回土壤，通過土壤碳循環(huán)影響全球碳平衡和氣候變化。
然而，目前全球現(xiàn)有數(shù)據(jù)多集中在溫帶地區(qū)，缺乏跨生物群系的、標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一的吸收根壽命數(shù)據(jù)。“且多關(guān)注食草線蟲或某類微生物等單一因子，缺乏多因子分析系統(tǒng)。”研究團(tuán)隊(duì)將目光投向亞熱帶森林地區(qū)，這里生物多樣性高、交互復(fù)雜，對量化不同因子的相對貢獻(xiàn)提出了更高要求。
這是一片尚未被充分探索的領(lǐng)域，但他們?nèi)詻Q定迎難而上。
2014年，團(tuán)隊(duì)成員李亮和M. Luke McCormack開始在江西樟樹亞熱帶同質(zhì)園中布設(shè)了128根微根管，這是一種透明的玻璃管或塑料管，“埋”在土壤中實(shí)時(shí)監(jiān)測根系的動態(tài)變化。每兩周定期采集一次數(shù)據(jù)，經(jīng)過兩年觀察，共采集了61221張根系圖像。
“6萬多張圖像包含了16個樹種，每張都需要人工提取根的出生、死亡日期，直徑，根長等信息，工作量十分巨大。”回想起那段盯著屏幕區(qū)分不同根系的日子，論文第一作者、中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所助理研究員曾文靜仍然感覺眼睛發(fā)澀，“由于不同樹種的根形態(tài)相似，需通過仔細(xì)甄別，必要時(shí)還需挖掘根系進(jìn)行復(fù)核確認(rèn)。”有一次，學(xué)生們花了不少心血，卻發(fā)現(xiàn)對6種根系的區(qū)分出現(xiàn)錯誤，一切又只能推倒重來。
微根管觀測到的東京櫻花(Prunus yedoensis)的吸收根（受訪者供圖）
這樣的挫折，對馬澤清團(tuán)隊(duì)而言不足為懼。2020年，他們開始進(jìn)行樣品采集與數(shù)據(jù)的初步分析。
“研究涉及微生物高通量測序、線蟲鑒定和根性狀提取，數(shù)據(jù)量大，分析非常復(fù)雜，需要多學(xué)科的背景。”馬澤清只能向土壤動物學(xué)、地下食物網(wǎng)、統(tǒng)計(jì)學(xué)不同專業(yè)的專家尋求幫助。為防止林齡、系統(tǒng)發(fā)育和種植密度對根系的影響，他們引入隨機(jī)變量來增強(qiáng)模型的穩(wěn)健性，通過制定統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)、多人協(xié)作和人工復(fù)核，最終完成了6萬多張根圖像的數(shù)據(jù)提取工作，又采用結(jié)構(gòu)方程模型和混合效應(yīng)模型等統(tǒng)計(jì)方法，整合多維度數(shù)據(jù)，揭示了各因子之間的復(fù)雜關(guān)系。
從2014年滿懷期待地建立微根管觀測系統(tǒng)，到2024年開始撰寫論文，2025年最終發(fā)表，這場十年追“兇”的旅程終于結(jié)出碩果。
“我們構(gòu)建了全球首個涵蓋5大生物群系的吸收根壽命可比數(shù)據(jù)集，并首次量化了病原微生物對吸收根壽命的影響遠(yuǎn)超植食性線蟲。”馬澤清說。
探索仍在繼續(xù)
探索，這是馬澤清團(tuán)隊(duì)為這項(xiàng)歷時(shí)十年研究總結(jié)的關(guān)鍵詞。
“這項(xiàng)研究從問題提出、技術(shù)方法到結(jié)論發(fā)現(xiàn)，幾乎每一步都在探索未知。我們探索了地下世界的復(fù)雜性，探索了多因子交互的非線性規(guī)律。”在此過程中，馬澤清團(tuán)隊(duì)不斷深化對數(shù)據(jù)的理解，提升分析的嚴(yán)謹(jǐn)性，“這是一個充滿挑戰(zhàn)但也極具成就感的探索過程。”
“‘病原微生物影響大于食草線蟲’，這一結(jié)論也得到了審稿人的重視。”馬澤清表示，該研究填補(bǔ)了亞熱帶森林吸收根壽命研究的空白，揭示了各種生物因素和根系動態(tài)之間存在復(fù)雜相互作用和微妙平衡。
尤其在氣候變暖與氮沉降加劇的背景下，病原微生物的激活可能進(jìn)一步加速吸收根周轉(zhuǎn)，進(jìn)一步影響亞熱帶森林的生態(tài)系統(tǒng)功能。
“因此，在預(yù)測全球碳循環(huán)和群落動態(tài)時(shí)，必須綜合考慮根系功能性狀與土壤生物因子的交互作用。”馬澤清反復(fù)強(qiáng)調(diào)，這對預(yù)測全球氣候變化下的碳循環(huán)、森林健康管理乃至生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性都具有重要參考價(jià)值。
然而，在他眼中，這一研究還只是個開始。
“目前我們的研究主要是以野外所觀測到的相關(guān)性關(guān)系為主，尚未通過實(shí)驗(yàn)來完全驗(yàn)證其因果關(guān)系。”馬澤清表示，同時(shí)，全球氣候變暖與氮沉降加劇也提出了更嚴(yán)峻的限時(shí)挑戰(zhàn)，需要對其與生物因子的交互效應(yīng)展開進(jìn)一步研究。
“后續(xù)研究可以通過開展滅菌、接種病原菌或食草線蟲等控制實(shí)驗(yàn)，結(jié)合穩(wěn)定同位素標(biāo)記追蹤碳流向，進(jìn)而拓展到更多熱帶森林、溫帶森林等生態(tài)系統(tǒng)。”馬澤清說，他們團(tuán)隊(duì)仍在探索植物根系防御策略與土壤生物互作機(jī)制的旅程中不斷前行。
相關(guān)論文信息：https://doi.org/10.1111/ele.70210
本文鏈接：十年追蹤，他們找到危及植物吸收根壽命的地下“真兇”http://www.sq15.cn/show-11-26551-0.html
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