Nature Communications | 中科院地理资源所寇亮研究组提出树木根系“获取-防御-分解”地下反馈循环概念框架

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植物在土壤资源获取和防御能力之间进行权衡以适应复杂的地下环境，这包括与不同类型的根系相关微生物，如丛枝菌根(AM)和外生菌根(EcM)真菌建立共生合作关系。植物在不同策略间的权衡通过介导根组织化学成分，对分解过程中的养分释放产生遗留效应，这反过来又可能影响新生根系重新获取资源的能力，从而形成反馈循环。然而，这种反馈循环过程间的内在联系很大程度上仍未被量化。鉴于此，本研究提出了基于性状的根系“获取(Acquisition)-防御(Defence)-分解(Decomposition)”概念框架(简称ADD，图1a)，通过量化中国温带和亚热带森林90种被子树种吸收根关键功能性状，检验树木如何协调根系资源获取、化学防御和养分再利用(通过根系分解释放养分)，从而在根系-土壤系统中形成养分反馈循环。

图1 根系统“获取-防御-分解”反馈循环概念框架

研究发现，根经济空间(New Phytologist | 中科院地理资源所：菌根共生途径塑造树木根经济空间; New Phytologist | 中科院地理资源所寇亮、王辉民研究员等揭示演替早期森林根经济空间及物种共存地下基础)中的“根-真菌共生”梯度与根化学防御(缩合单宁)和根分解速率(New Phytologist | 菌根与生境对木本植物根系性状-分解关系的调控作用)密切相关，根系对共生真菌的依赖性越强，其化学防御越低，进而导致了更快的分解，这些权衡和遗留效应为ADD概念框架提供了初步证据。同时，在科水平上发现，根系对共生真菌的依赖性与植物进化历史有关，根系的总体进化趋势朝着对共生真菌的依赖性降低，而加强对自身根系防御投资的方向进行，从而导致更慢的养分归还(图2)。

图2 基于“获取-防御-分解”反馈循环的物种综合策略

此外，进化历史塑造了植物对菌根真菌依赖性的转变，进而导致地下综合策略和养分循环模式的改变。即，由进化较古老类群的“高AM共生-低防御-快分解-无机养分”快循环系统，逐渐过渡到更现代类群的“高EcM共生-高防御-慢分解-有机养分”慢循环系统，形成了渐进式梯度的地下养分循环模式(图1b)。这种演变趋势对包括资源获取和防御在内的多维地下策略和养分循环模式具有深远影响。这一发现，从地下根和菌根性状角度拓展了菌根树种养分经济框架(MANE, Phillips et al. 2013, New Phytologist)，突破了传统AM主导森林系统和EcM主导森林系统二分法的局限性。

ADD概念框架与我们团队前期提出的“获取(Get)-保存(Save)-归还(Return)”GSR连续体框架(Journal of Ecology | 亚热带森林树木养分获取-保存-归还“GSR”连续体)，覆盖了森林生态系统养分循环地上、地下关键过程，为深入理解森林养分循环模式、生产力形成地下基础及物种共存地下机制提供新视角，同时为人工林高效培育和可持续经营提供理论基础。

研究成果近期在线发表于Nature Communications，中科院地理所博士后郑甲佳为第一作者，寇亮研究员为通讯作者。合作者包括法国国家科研中心Grégoire T. Freschet研究员，爱沙尼亚塔尔图大学Leho Tedersoo教授，中科院地理所李胜功研究员、王辉民研究员、付晓莉研究员等。该研究得到了国家自然科学基金优青、重点(32222059；32330071；41830646)及法国卓越实验室基金(ANR-10-LABX-41)等资助和支持。

相关论文目录(*通讯作者)：

1. Zheng JJ, Freschet GT, Tedersoo L, Li SG, Yan H, Jiang L, Wang HM, Ma N, Dai XQ, Fu XL, Kou L*. A trait-based root acquisition-defence-decomposition framework in angiosperm tree species.Nature Communications, 2024, 15: 5311.

https://doi.org/10.1038/s41467-024-49666-3

2. Yan H, Freschet GT, Wang HM, Hogan JA, Li SG, Valverde-Barrantes OJ, Fu XL, WangRL, Dai XQ, Jiang L, Meng SW, Yang FT, Zhang MM, Kou L*.Mycorrhizal symbiosis pathway and edaphic fertility frame root economics space among tree species. New Phytologist, 2022, 234: 1639-1653.

https://doi.org/10.1111/nph.18066

3. Yi RJ, Liu QY, Yang FT, Dai XQ, Meng SW, Fu XL, Li SG, Kou L*, Wang HM*. Complementary belowground strategies underlie species coexistence in an early successional forest. New Phytologist, 2023, 238: 612-623.

https://doi.org/10.1111/nph.18736

4.Jiang L, Wang HM, Li SG, Fu XL, Dai XQ, Yan H, Kou L*. Mycorrhizal and environmental controls over roottrait-decomposition linkage of woody trees.New Phytologist, 2021, 229: 284-295.

https://doi.org/10.1111/nph.16844

5. Jiang L, Wang HM, Li SG, Dai XQ, Meng SW, Fu XL, Yan H, Zheng JJ, Ma N, Kou L*. A 'Get-Save-Return' process continuum runs on phosphorus economy among subtropical tree species. Journal of Ecology, 2023, 111: 861-874.

https://doi.org/10.1111/1365-2745.14066