WikiEdge:BioRxiv-2024.03.19.585673

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  • 标题：Tree growth is better explained by absorptive fine roots than transport fine roots
  • 中文标题：树木生长更多地由吸收型细根而非运输型细根解释
  • 发布日期：2024-03-21
  • 作者：Sanaei, A.; van der Plas, F.; Chen, H.; Davids, S.; Eckhardt, S.; Hennecke, J.; Kahl, A.; Moller, Y.; Richter, R.; Schutze, J.; Wirth, C.; Weigelt, A.
  • 分类：ecology
  • 原文链接：https://www.biorxiv.org/content/10.1101/2024.03.19.585673

摘要：量化植物性状变异可以揭示植物生态策略中固有的权衡，并为基于性状的植物表现和生态系统功能的预测提供基础。尽管近年来对根性状的关注度增加，但我们对于功能性不同的细根——吸收根和运输根——是否具有相似的性状协调，以及它们如何帮助解释植物表现，如生长，的知识仍然有限。 我们测量了在研究植物园生长的25种欧洲阔叶树种的性状，以研究吸收根和运输细根内的根性状协调，以及性状与树木生长关系的程度。为此，我们结合了吸收根和运输根的一系列形态（根直径，特定根长度和根组织密度）和解剖（皮层与髓部比例和丛枝菌根菌根化率）性状，以及叶性状（叶质量面积比，干物质含量和韧性）。 尽管吸收根和运输根的平均性状值之间存在显著差异，但我们的研究显示，吸收根和运输根内的性状协调相对等效。我们的结果还显示，对于我们研究的性状，树木的生长更好地被吸收根的性状解释，而不是运输根的性状，并且在根直径较薄的物种中更高。这表明，主要在吸收根中的变异影响了土壤资源（如营养物质和水）的吸收，并直接影响了树木的生长。 吸收根与树木生长之间的显著关系，以及运输根缺乏这样的关系，突出了与资源吸收最相关的根在解释树木生长方面比参与运输的根更重要。

问题与动机

作者的研究问题包括：

  • 不同功能类型的细根（吸收根与运输根）是否展现出相似的性状协调性？
  • 这些细根性状如何帮助解释植物性能，例如生长？
  • 吸收根性状与运输根性状在解释树木生长方面是否有不同的贡献？
  • 结合叶性状，根性状是否更好地解释树木生长？

背景介绍

这篇文献的背景主要集中在以下几个方面：

  1. 植物功能性状与生态系统功能的关系：
    • 植物性状反映了不同的生态策略，并展示了植物如何应对环境变化。
    • 植物性状的研究有助于理解植物性能的差异，并预测生态系统功能。
    • 叶片经济谱（LES）定义了从资源保守型到资源获取型的叶片功能梯度，成功地解释了叶片性状的变化并预测了植物性能。
    • 根经济空间（RES）理论将经济理论扩展到细根，提出了根的二维空间。
    • 尽管对根性状的兴趣增加，但关于功能不同的细根（吸收根与输导根）的性状协调性，以及它们如何解释植物性能（如生长）的知识仍然有限。
  2. 细根的分类与功能：
    • 植物通常具有分层次的根系，细根由形态、结构、解剖和寿命各异的多个不同阶元和分支组成。
    • 根据功能角色，细根被划分为吸收根和输导根两组，其中吸收根负责土壤资源的吸收，而输导根主要负责运输和储存。
    • 根的寿命和直径与在分根系统中的位置有关，从远端到近端逐渐增加。
    • 解剖学上，根阶内的变化主要是由于从资源吸收到运输和储存的生理功能转变。
  3. 植物功能性状与森林生态系统功能的研究：
    • 森林生态系统的功能直接和间接依赖于植物功能性状的变化。
    • 根系和叶片的功能协调及其性状对于有限资源的有效获取和利用至关重要。
    • 尽管对叶片功能性状与森林功能之间关系的研究很多，但对细根性状相对于叶片性状对森林生长重要性的理解仍然不足。

综上所述，这篇文献的背景强调了植物功能性状，特别是细根性状在预测植物性能和生态系统功能中的重要性，以及对功能不同的细根的性状协调性和它们对植物生长的贡献的探索。

章节摘要

这篇论文是关于植物根系特征与树木生长之间关系的研究，其主要内容可以概括如下：

  1. 摘要：研究了25种欧洲阔叶树种的根系特征，以探讨吸收根和运输根的性状协调性，以及它们与树木生长的关系。
  2. 引言：植物功能性状被用来理解植物群落结构、组装和功能。特别提到了叶片经济谱（LES）和根系经济空间（RES）的概念，并强调了研究根系性状对理解植物性能和生态系统功能的重要性。
  3. 材料与方法：
    • 研究地点和实验设计：在德国莱比锡附近的研究植物园进行，包含39科100种树木。
    • 根样本采集和测量：2018年和2019年采集了三种个体的根系样本，测量了形态和解剖学特征。
    • 叶片样本采集和测量：随机选取并收集了完全展开的、面向阳光的叶片，测量了叶片质量、厚度和韧性。
    • 树木生长量的量化：2023年2月测量了每棵树的胸径，计算了基面积年增量作为树木生长的代理。
    • 统计分析：使用主成分分析（PCA）和线性回归分析来评估根系和叶片性状与树木生长的关系。
  4. 结果：
    • 吸收根和运输根的性状协调性：发现两种根的性状协调性相对等效，但吸收根的性状对树木生长的解释性更强。
    • 吸收根和运输根与树木生长的关系：吸收根的性状与树木生长负相关，而运输根的性状与树木生长的关系不显著。
    • 叶片性状与树木生长的关系：叶片性状与树木生长正相关，尤其是具有较高叶干物质含量和叶面积的树木生长更快。
    • 根系和叶片性状的组合对树木生长的解释：根系和叶片性状的组合比单独使用根系或叶片性状能更好地解释树木生长。
  5. 讨论：通过将细根功能上区分为吸收根和运输根，研究发现吸收根的性状与树木生长有更强的关联，强调了通过提供土壤基础资源（如养分和水)直接影响整体树木生长的重要性。
  6. 致谢：感谢参与实地和实验室测量的团队成员，以及提供讨论和反馈的同事。
  7. 利益冲突声明：作者声明没有利益冲突。
  8. 作者贡献：列出了构思研究、数据收集、数据分析和撰写稿件的作者。
  9. 数据可用性声明：承诺一旦论文被接受，将会把数据集存储在公共存储库中。

研究方法

这篇论文通过综合分析植物的根和叶功能特征，以及它们与树木生长之间的关系，探讨了植物性状如何影响生态系统功能。以下是该研究方法论的主要组成部分：

  1. 研究地点和实验设计：
    • 在德国莱比锡附近的研究植物园ARBOfun进行，该植物园种植了39个科的100种树木。
    • 植物园的土壤为Luvisol土类，pH值为5.7。
  2. 根样本采集和测量：
    • 采集了三种个体的根样本，小心地手工挖掘以避免损伤。
    • 样本分为两部分：一部分用于解剖学特征分析，另一部分用于形态学特征分析。
    • 使用立体显微镜进行清洁和解剖，然后对不同根序的样本进行分析。
    • 使用平板扫描仪对样本进行扫描，然后进行干燥和称重以获取根干重。
    • 使用RhizoVision Explorer软件分析根扫描图像，计算根干重和根体积的比值（RTD）和根长与根干重的比值（SRL）。
  3. 叶样本采集和测量：
    • 随机选择并采集了13片完全展开且完好的阳生叶片。
    • 使用平板扫描仪获取叶片的鲜重面积，然后进行干燥和称重以计算叶质量密度（LMA）和叶干物质含量（LDMC）。
    • 测量叶片的穿透力以确定叶片的韧性。
  4. 树木生长量化：
    • 测量每棵树的胸径（DBH），并计算基面积年增量作为树木生长的代理。
    • 通过将2022年的基面积数据除以种植年龄来计算平均绝对基面积增量。
  5. 统计分析：
    • 进行主成分分析（PCA）以评估吸收根和传输根特征的变异性和协调性。
    • 使用线性回归分析PCA轴得分与平均基面积增量之间的关系。
    • 进行成对t检验以比较吸收根和传输根之间的根特征。
    • 进行皮尔逊相关性分析以探索吸收根或传输根特征与叶特征之间的成对相关性。
    • 进行双变量线性回归以评估单个根和叶特征作为树木生长的解释预测因子。
  6. 结果讨论：
    • 发现吸收根特征比传输根特征更能解释树木生长。
    • 树木生长与根直径、根皮层-髓部比率和菌根侵染率等特征有显著关联。
    • 叶特征与树木生长显著相关，尤其是当与吸收根特征结合时。

这篇论文的方法论分析结果表明，植物的吸收根特征在解释树木生长方面起着关键作用，而叶特征也对树木生长有重要影响。

研究结论

根据提供的文献内容，这篇论文的主要结论可以概括如下：

  1. 树生长更多地由吸收根的特性而非运输根的特性来解释
    1. 吸收根与树木生长之间的显著关系，以及运输根缺乏这种关系，强调了与资源吸收直接相关的根在解释树木生长方面的重要性
    2. 尽管吸收根和运输根在平均性状值上有显著差异，但研究发现吸收根和运输根内部的性状协调是相对等效的
  2. 吸收根性状比运输根性状更能解释树木生长
    1. 树木生长与吸收根性状呈负相关，表明具有较细吸收根的树木生长更快
    2. 树木生长与运输根性状的主成分分析第二轴呈正相关，表明具有较低的皮质/髓比和菌根侵染率的树木生长更快
  3. 叶性状与树木生长显著相关，无论是单独还是与吸收根结合时
    1. 树木生长最好通过结合叶和根性状来解释，表明地上和地下资源获取的协调对树木生长至关重要
  4. 运输根性状对树木生长的解释能力较弱，证实了运输根主要参与资源的运输和储存，而不是直接与生长相关的资源获取

这些结论为理解树木生长与根和叶性状之间的关系提供了重要的见解，并强调了在研究树木生长时考虑功能上不同的细根的必要性。

术语表

这篇文章的术语表如下：

  • 吸收根（absorptive roots）：负责土壤资源吸收的根，作为微生物和菌根活动的热点。
  • 传输根（transport roots）：主要负责运输和储存，随着根序的增加，其资源运输能力增加，而吸收能力降低。
  • 根经济空间（root economics space, RES）：一个二维的根功能空间，第一个维度为合作梯度，第二个维度为保守梯度。
  • 叶经济谱（leaf economics spectrum, LES）：定义了从资源保守使用到资源获取策略的功能性梯度。
  • 根直径（root diameter）：根的物理尺寸，与根的功能和寿命相关。
  • 比根长（specific root length, SRL）：根长度与根干重的比值，反映根的形态特征。
  • 根组织密度（root tissue density, RTD）：根干重与根体积的比值，与根的寿命和功能相关。
  • 菌根侵染率（arbuscular mycorrhizal colonization rate, MCR）：根与菌根真菌共生的程度。
  • 叶干物质含量（leaf dry matter content, LDMC）：叶干重与叶鲜重的比值，反映叶的化学成分。
  • 叶质量面积比（leaf mass per area, LMA）：单位叶面积的干质量，是叶经济谱中的一个重要参数。
  • 基面积增长（basal area increment）：作为树生长的代理，通过胸径的测量来计算。
  • 形态学根性状（morphological root traits）：包括根直径、比根长和根组织密度等。
  • 解剖学根性状（anatomical root traits）：包括皮层与髓部比率和菌根侵染率等。
  • 菌根共生（mycorrhizal activity）：根与菌根真菌之间的共生关系，对植物营养吸收至关重要。
  • 资源获取策略（resource acquisition-conservation strategy）：植物通过根的形态和解剖特征来获取资源的策略。
  • 保守梯度（conservation gradient）：与快速生长策略相对应的慢速生长策略，反映在根氮含量高和根组织密度低。
  • 合作梯度（collaboration gradient）：从具有高根直径提供给菌根真菌空间的物种到具有更高比根长的物种的范围。
  • 功能性特征（functional traits）：植物的形态、生理或生态特性，反映植物的不同策略和对环境的响应。
  • 性状协调（trait coordination）：不同性状之间的相互关系和协调性，对植物性能和生态系统功能至关重要。
  • 性状-生长关系（trait-growth relationship）：植物性状与其生长表现之间的关系。
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