Густые тропические леса, покрытые кленами горы и обширные хвойные леса демонстрируют рост и распространение деревьев, приспособленных к конкретным условиям. Однако региональное доминирование древесных пород, которое мы видим на поверхности, на самом деле могло быть определено давным-давно под землей.
Исследователи Принстонского университета сообщают, что организация лесов по всему миру, таких как хвойные деревья в северных бореальных лесах или широколиственные деревья в тропиках, основана на древних взаимоотношениях, которые виды растений установили с живущими в почве микробами, такими как грибы и бактерии. Эти крошечные организмы, известные как симбионты, усиливают усвоение корнями важнейших питательных веществ азота и фосфора. Исследователи сообщили в журнале Nature Ecology and Evolution, что деревья и кустарники стали доминировать в конкретных биомах, развивая наиболее конкурентоспособную договоренность с местными почвенными микробами и исключая конкурирующие растения из строя.
Динамика между растениями и почвенными микробами, специфичная для биома, может помочь ученым понять, как могут меняться экосистемы, поскольку изменение климата приводит к повышению температуры, что меняет взаимодействие между деревьями, микробами и почвой, сообщают исследователи. Поскольку наиболее конкурентные симбиотические механизмы для конкретного биома побеждают, ученым нужно только понять, как меняется экосистема, чтобы оценить, какая растительность будет двигаться внутрь, а какая - уходить.
«Найденный нами образец может быть использован для определения ландшафтов, которые более чувствительны к человеческому вмешательству», - сказал старший автор Ларс Хедин, Джордж М. Моффет, профессор биологии, профессор экологии и эволюционной биологии Принстонского института окружающей среды. «Он будет предсказывать, какие сообщества деревьев и куда будут перемещаться, их влияние на окружающую среду и то, как они будут реагировать в будущем на изменение климата и увеличение выбросов углекислого газа».
Первый автор Мингжен Лу, научный сотрудник лаборатории Хедина, сказал, что симбиозы возникли потому, что растениям нужны микробы, чтобы разблокировать питательные вещества, особенно азот и фосфор, высвобождаемые при разложении почвы. В свою очередь, грибы и бактерии питаются углеводами, которые растения получают в результате фотосинтеза. Лишайники - вычурные бело-зеленые водоросли и грибы, растущие на камнях и деревьях, - ранний пример такого сотрудничества.
«В тот момент, когда растения колонизировали землю, они сформировали симбиозы», - сказал Лу. «Эволюция этих новых мощных симбиозов позволила растениям колонизировать новые земли. Эта биология обеспечивает глобальный цикл углерода и питательных веществ».
Лу и Хедин сосредоточились на деревьях и кустарниках и обнаружили, что по мере того, как растения распространяются по земному шару, они вырезают биомы, используя преимущество в питательных веществах, которое им даровали их отношения с микробами, сказал Лу. Например, кленовые деревья установят условия, чтобы конкурирующие деревья не могли расти в местах, где обитают клены.
«Это прекрасный пример того, как биологические организмы могут формировать окружающую среду в пользу самих себя», - сказал Лу. «Это говорит нам о том, что, как только будут включены правильные биологические механизмы, можно предсказать изменения в земле, но эти прогнозы должны отражать подземную динамику. Выяснив наиболее конкурентный симбиоз в определенных условиях, мы можем определить, как будут развиваться растительные сообщества. и развиваться в этом биоме в будущем."
Лу и Хедин использовали модель теории игр, которая позволяла растениям использовать различные подземные стратегии для получения питательных веществ. В их модели изучались деревья и кустарники, известные как доминирующая растительность, в тропических, умеренных и бореальных лесах. Они рассмотрели условия биома, такие как солнечный свет и круговорот питательных веществ, чтобы изучить наиболее конкурентные симбиозы, которые возникнут, если экосистемам будет позволено изменяться и мутировать естественным образом. Они учитывали количество углерода и питательных веществ, которые циркулируют в определенном биоме, а также то, как он реагирует на нарушения и как популяции растений сменяют друг друга в процессе последовательности.
Их модель показала, что конкретные локальные взаимодействия между растениями, почвой и питательными веществами подходят для этих областей. Например, бореальные деревья развили симбиотические отношения, адаптированные к губчатым бореальным почвам, но не к влажной почве тропического леса.
«Наши результаты показывают, что отношения между растениями и их симбионтами играют центральную роль в понимании организации и истории наземной биосферы», - сказал Хедин.
Лаборатория Хедина в Принстоне ранее обнаружила, что растения могут играть более активную роль в их эволюции и формировании природных систем, чем им приписывают. В феврале 2018 года Хедин и Лу сообщили в журнале Nature, что распространение растительной жизни по всему миру могло быть вызвано адаптацией корней, которая позволила растениям стать более эффективными и независимыми.
В 2015 году статья в журнале Nature Plants предположила, что растения, произрастающие в местах, непригодных для них в других отношениях, таких как почвы тропических лесов с низким содержанием азота, используют выделения, чтобы побуждать почвенные бактерии, известные как ризобии, заражать клетки их корней. В отношениях «отдача-отдача», подобных описанным в последней публикации, ризобии превращают атмосферный азот в удобрение в обмен на углеводы. Это взаимодействие создает круговорот азота, который приносит пользу окружающей растительности.
"Растения уже давно создали условия для своего собственного успеха. Важно то, что теперь мы лучше понимаем, как это работает на основе наших моделей", - сказал Хедин.
«Наша новая модель показывает, что растения конкурировали за ресурсы почвы, и при этом они использовали помощь симбиоза, и это сделало их успешными», - сказал он.«В результате отношения оказались настолько сильными, что они не только помогли другим деревьям и растениям, но и изменили окружающую среду».