植物和微生物通过当地的地下联盟塑造全球生物群落

茂密的热带雨林，枫树覆盖的山脉和蜿蜒的针叶林展示了适应特定条件的树木的生长和繁殖。然而，我们在表面上看到的树种的区域优势实际上可能早已在地下确定。

普林斯顿大学的研究人员报告说，世界各地的森林组织 - 例如北方北方森林中的针叶树或热带的阔叶树木 - 是基于古老的关系，即植物物种与土壤栖息的微生物如真菌和细菌结合在一起。 。这些微生物，称为共生体，增强了根对氮和磷的关键营养素的吸收。研究人员在“自然生态学与进化”杂志上报道说，树木和灌木通过与当地土壤微生物发展最具竞争力的安排来控制特定的生物群落 - 并将竞争的植物切割出来。

研究人员报告说，植物与土壤微生物之间的生物群特定动态可以帮助科学家了解生态系统如何随着气候变化带来更温暖的温度而改变树木，微生物和土壤之间的相互作用。由于特定生物群落胜利的最具竞争性的共生安排，科学家们只需要了解生态系统如何变化来衡量哪些植被将会移动，哪些植物将会移出。

“我们发现的模式可以用来告诉我们对人类干扰更敏感的景观，”资深作者Lars Hedin，George M. Moffett生物学教授，生态学和进化生物学教授以及普林斯顿环境研究所说。“它将预测哪些树木将会到达哪里，它们对环境的影响，以及它们将来如何应对气候变化和二氧化碳增加。”

第一作者，Hedin实验室的博士后研究员Mingzhen Lu说，共生是因为植物需要微生物来释放通过土壤分解释放的养分 - 特别是氮和磷。作为回报，真菌和细菌在植物从光合作用提供的碳水化合物上茁壮成长。地衣 - 在岩石和树木上生长的褶边白绿藻类真菌合并 - 是这种合作的早期例子。

“植物在土地上殖民的那一刻，它们形成了共生关系，”卢说。“这些新的，强大的共生体的发展使植物能够在新的土地上殖民。这种生物学为全球碳和养分循环提供动力。”

Lu和Hedin专注于树木和灌木，发现当植物遍布全球时，他们利用营养优势挖掘出生物群落，他们与微生物的关系赋予它们，Lu说。例如，枫树将设置条件，以便竞争树木不会生长在枫树栖息的区域。

“这是一个完美的例子，说明生物有机体如何塑造周围环境，有利于自己，”卢说。“这向我们表明，一旦包含正确的生物机制，就可以预测土地的变化，但这些预测需要捕捉地下动态。通过找出在特定条件下最具竞争力的共生，我们可以确定植物群落将如何演变并在未来的那个生物群系中发展。“

Lu和Hedin使用了一种游戏理论模型，该模型允许植物使用不同的地下策略来获取营养。他们的模型研究了热带，温带和北方森林中的树木和灌木 - 被称为主要植被。他们研究了阳光和营养物质周转等生物群落条件，以检查如果允许生态系统自然发生变化和变异，将会出现最具竞争力的共生关系。他们考虑了循环通过特定生物群系的碳和营养物的量，以及它如何响应干扰以及植物种群如何通过连续相互替代。

他们的模型揭示了植物，土壤和养分之间的特定局部相互作用适合于那些区域。例如，北方针叶树已经形成了适合海绵状土壤的共生关系，而不是热带森林的湿润土壤。

“我们的研究结果表明，植物与它们共生之间的关系对于理解陆地生物圈的组织和历史至关重要，”Hedin说。

普林斯顿大学的赫丁实验室以前发现，植物在它们的进化 - 以及自然系统的形成 - 中可能比它们被认可的更为积极。2018年2月，Hedin和Lu在“自然”杂志上报道说，全球植物生命的扩散可能是由于根系适应性推动的，这使得植物变得更加高效和独立。

2015年，“自然植物”杂志上的一篇论文表明，在不适合它们的地区发现的植物 - 如贫氮雨林土壤 - 使用分泌物来引起被称为根瘤菌的土壤细菌感染它们的根细胞。在与最新出版物中描述的类似的给予 - 给予关系中，根瘤菌将大气氮转化为肥料以换取碳水化合物。这种相互作用创造了一个有利于周围植被的氮循环。

“植物长期以来为自己的成功创造了条件。重要的是，我们现在可以根据我们的模型更好地理解它是如何工作的，”Hedin说。

“我们的新模型显示植物竞争土壤资源，并且这样做可以利用共生的帮助，这使它们成功，”他说。“由此产生的关系如此强大，以至于他们不仅帮助了其他树木和植物，而且还改变了环境。”

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