北京时间2024年5月13日17时，南方科技大学环境科学与工程学院王俊坚研究员课题组与河南农业大学林学院孔德良教授课题组合作，在Nature Plants杂志在线发表了题为“Molecular-level carbon traits underlie the multidimensional fine root economics space”的研究论文。

该研究首次报道了植物根系分子水平碳性状的变异格局，揭示了这种分子水平碳性状在塑造细根多维经济空间中的重要作用。

细根是植物执行吸收功能的主要器官，是陆地植物生长发育的基础[1]。根系性状变异巨大，目前公认根系中存在两个关键的性状变异维度：一个是根经济学谱维度，反映细根在投资回报快慢的差异；一个是 “菌根协作维度”，反映根依赖自身（“自给自足”策略）和依赖菌根真菌（“菌根合作”策略）之间的权衡，这两个维度构成细根经济空间[2]。该性状空间是根系研究中里程碑的成果，已成为根系结构与功能研究的主流范式。然而，我们对细根经济性状空间的形成机制，尤其是分子水平的机制仍然十分匮乏[3]。

碳是构成陆地植物基本骨架的关键元素。长期以来，人们往往关注植物总碳含量，而对其多样的含碳化合物的组成、含量和多样性（即分子水平碳性状）的变异规律及其生态和进化意义知之甚少，尤其是对植物根系而言更是如此。不同的含碳化合物往往具有不同的生理和生态功能。因此，与细根的总碳含量相比，其分子水平碳性状更能揭示细根功能和多样性，并有可能与细根经济性状空间有关联。

研究团队收集了66种热带树木的细根样本，利用13C核磁共振（NMR）分析，量化了细根中来源于不同化合物不同官能团的碳组分相对丰度（图1），并探讨这些分子水平碳性状与常见细根经济性状的关系[4]。

图1 66个热带树种的系统发育关系及其13个细根性状。左侧是66个树种的系统发育树，右侧是从低（黄色）到中（绿色）到高（深蓝色）映射的13个性状的标准化值。在颜色映射的顶部，显示了本研究中术语的逻辑关系。简而言之，13个根性状包括4个常见的功能性状（根直径、比根长、组织密度和根氮含量）和9个碳性状，包括总根碳含量以及8个基于核磁共振波谱的分子水平碳性状（羰基和羧基碳、含氧芳基碳、芳基碳、双氧烷基碳、含氧烷基碳、含氮烷基或甲氧基碳、烷基碳、化学多样性）。

研究首次发现了分子水平碳性状两个主要的变异维度，且与广为熟知的由根形态和养分性状构成的根多维性状空间（即细根经济空间）高度耦合（图2）。具体来说，细根直径较细的物种倾向于在含氧烷基碳（主要源于纤维素半纤维素等碳水化合物）上投入更多，以促进根自身的养分获取（即“自给自足策略”）；具有较大组织密度的细根（即“保守策略”，与“自给自足策略”独立）的物种在芳香族化合物（主要源于木质素）上的投入较多，在含氮或含羰基化合物上的投入较少，这意味着较慢的新陈代谢和较高的防御能力。这表明细根多维经济空间的形成有重要的分子基础。

图2 分子水平碳性状与细根经济空间耦合关系的示意图。

基于全球尺度的数据集，我们发现细根关键碳性状与细根常见的功能性状之间有较好的耦合关系：根木质素含量与组织密度正相关，而纤维素和半纤维素含量与细根直径负相关（图3）。这表明分子水平碳性状与细根多维经济空间之间的耦合可能是一个普遍现象。

图3 细根细胞壁化学与形态之间的关系。(a) 根组织密度与木质素含量之间的皮尔逊相关性。(b)根直径与纤维素和半纤维素含量之间的皮尔逊相关性。

本研究首次揭示了分子水平碳性状在塑造细根经济空间中的重要作用。这一发现不仅为理解植物根系形态和功能的多样性提供了全新的分子尺度的见解，而且对于理解植物进化、物种共存以及对异质环境的适应性等方面具有重要意义。

南方科技大学王俊坚研究员和河南农业大学孔德良教授为论文共同通讯作者，南方科技大学环境学院博士后王梦柯为论文第一作者，北京大学硕士生莫潇晗、南方科技大学研究助理教授王映辉、河南农业大学博士生杨庆培、瑞典农业大学Paul Kardol教授、美国佛罗里达州立大学Oscar J. Valverde-Barrantes博士、加拿大多伦多大学Myrna J. Simpson教授、北京大学曾辉教授、美国明尼苏达大学Peter B. Reich教授、德国莱布尼茨农业景观研究中心Joana Bergmann博士和美国克莱姆森大学Nishanth Tharayil教授为论文的共同作者。

本研究得到了国家自然科学基金、广东省基础和应用基础研究基金、中原基础研究领军人才基金等的资助。

相关论文信息：

https://doi.org/10.1038/s41477-024-01700-4

参考文献

1 Bardgett, R. D., Mommer, L. & De Vries, F. T. Going underground: root traits as drivers of ecosystem processes. Trends in Ecology & Evolution 29, 692-699 (2014).

2 Bergmann, J. et al. The fungal collaboration gradient dominates the root economics space in plants. Science Advances 6, eaba3756 (2020).

3 Zhang, Y. et al. The origin of bi-dimensionality in plant root traits. Trends in Ecology & Evolution 39, 78-88 (2024).

4 Wang, M. et al. Molecular-level carbon traits underlie the multi-dimensional fine root economics space. (2024). Nature Plants. DOI: 10.1038/s41477-024-01700-4.