Вы могли наблюдать, как растения соревнуются за солнечный свет - то, как они вытягиваются вверх и наружу, чтобы блокировать друг другу доступ к солнечным лучам, - но вне поля зрения под землей происходит другой тип конкуренции. Точно так же, как вы можете изменить способ поиска бесплатных закусок в комнате отдыха, когда присутствуют ваши коллеги, растения меняют свое использование подземных ресурсов, когда их сажают рядом с другими растениями.
В статье, опубликованной сегодня в журнале Science, международная группа исследователей во главе с аспирантом Принстона Сиро Кабалем проливает свет на подземную жизнь растений. В их исследовании использовалось сочетание моделирования и эксперимента в теплице, чтобы выяснить, по-разному ли растения инвестируют в корневую структуру при одиночной посадке или при посадке рядом с соседом.
"Это исследование было очень забавным, потому что оно объединило несколько различных видов леденцов для примирения, казалось бы, противоречивых результатов в литературе: умный эксперимент, новый метод наблюдения за корневыми системами в неповрежденных почвах и простая математическая теория, ", сказал Стивен Пакала, профессор экологии и эволюционной биологии имени Фредерика Д. Петри (EEB) и старший автор статьи.
«Хотя надземные части растений были тщательно изучены, в том числе то, сколько углерода они могут хранить, мы гораздо меньше знаем о том, как подземные части, то есть корни, хранят углерод», - сказал Кабал, доктор философии.. студент в лаборатории Пакалы. «Поскольку около трети биомассы растительности в мире, а следовательно, углерода, находится под землей, наша модель предоставляет ценный инструмент для прогнозирования распространения корней в глобальных моделях земной системы."
У растений есть два разных типа корней: тонкие корни, которые поглощают воду и питательные вещества из почвы, и грубые транспортные корни, которые транспортируют эти вещества обратно в центр растения. «Инвестиции» растений в корни включают как общий объем произведенных корней, так и то, как эти корни распределяются по почве. Растение может сосредоточить все свои корни непосредственно под побегами или раскинуть корни горизонтально, чтобы кормиться в соседней почве, что рискует конкурировать с корнями соседних растений..
Модель команды предсказала два возможных результата для корневых инвестиций, когда растения обнаруживают, что они делят почву. В первом результате соседние растения «сотрудничают», разделяя свои корневые системы, чтобы уменьшить перекрытие, что приводит к образованию меньшего количества корней в целом, чем если бы они были одиночными. Во втором результате, когда растение чувствует сокращение ресурсов на одной стороне из-за присутствия соседа, оно укорачивает свою корневую систему на этой стороне, но вкладывает больше средств в корни непосредственно под стеблем.
Естественный отбор предсказывает этот второй сценарий, потому что каждое растение действует, чтобы улучшить свою приспособленность, независимо от того, как эти действия влияют на других особей. Если растения расположены очень близко друг к другу, это увеличение объема корней, несмотря на сегрегацию этих корней, может привести к трагедии общего пользования, в результате чего ресурсы (в данном случае почвенная влага и питательные вещества) истощаются.
Чтобы проверить предсказания модели, исследователи выращивали растения перца в теплице как по отдельности, так и парами. В конце эксперимента они покрасили корни растений в разные цвета, чтобы было легко увидеть, какие корни принадлежат какому растению. Затем они рассчитали общую биомассу корневой системы каждого растения и соотношение корней и побегов, чтобы увидеть, изменились ли растения, сколько энергии и углерода они отложили в подземные и надземные структуры, когда были посажены рядом с соседями, и подсчитали количество семян, произведенных растениями. каждое растение как мера относительной пригодности.
Команда обнаружила, что результат зависит от того, насколько близко пара растений находится друг к другу. Если посадить их очень близко друг к другу, растения с большей вероятностью будут вкладывать значительные средства в свою корневую систему, пытаясь превзойти друг друга в борьбе за ограниченные подземные ресурсы; если их посадить дальше друг от друга, они, вероятно, будут меньше инвестировать в свою корневую систему, чем одиночное растение.
В частности, они обнаружили, что при посадке рядом с другими растения перца увеличивали инвестиции в местные корни и уменьшали то, насколько далеко они вытягивали свои корни по горизонтали, чтобы уменьшить перекрытие с соседями. Не было доказательств сценария «трагедии общего достояния», поскольку не было различий в общей биомассе корней или относительных инвестициях в корни по сравнению с надземными структурами (включая количество семян, произведенных на одно растение) для одиночных и совместно обитающих растений..
Растения удаляют углекислый газ из атмосферы и откладывают его в своих структурах - и треть этого растительного углерода хранится в корнях. Понимание того, как изменяется осаждение углерода в различных сценариях, может помочь нам более точно прогнозировать поглощение углерода, что, в свою очередь, поможет разработать стратегии по смягчению последствий изменения климата. Это исследование может также помочь оптимизировать производство продуктов питания, потому что для максимизации урожайности полезно понять, как оптимально использовать подземные (и надземные) ресурсы.