マドリッドにある国立自然科学博物館 (CSIC) の温室でコショウの植物を栽培し、単独で植えた場合と隣に植えた場合の地下での挙動がどのように異なるかを調査しました。クレジット:Ciro Cabal、プリンストン大学
植物が日光をめぐって競合しているのを観察したことがあるかもしれません。つまり、植物がお互いに太陽光線へのアクセスをブロックするために上と外に伸びる方法です。しかし、目に見えないところで、別のタイプの競争が地下で起こっています。同僚がいるときに休憩室で無料のスナックを探す方法を変えるのと同じように、植物は他の植物と一緒に植えられたときに地下資源の使用を変更します.
本日 Science に掲載された論文で 、プリンストン大学院生のCiro Cabalが率いる国際研究チームは、植物の地下生活に光を当てています.彼らの研究では、モデリングと温室実験を組み合わせて使用し、植物が単独で植えられた場合と隣り合わせに植えられた場合とで根の構造への投資が異なるかどうかを発見しました。
「この研究は非常に楽しいものでした。いくつかの異なる種類のマインド キャンディーを組み合わせて、一見矛盾しているように見える文献の結果を調整したからです。巧妙な実験、無傷の土壌の根系を観察する新しい方法、および単純な数学的理論です」と Stephen Pacala 氏は述べています。生態学および進化生物学 (EEB) の Frederick D. Petrie 教授であり、論文の上級著者でもあります。
「植物の地上部は、どれだけの炭素を貯蔵できるかなど、広範囲に研究されていますが、地下部、つまり根がどのように炭素を貯蔵するかについてはほとんどわかっていません」パカラ研究室の学生。 「世界の植生バイオマス、つまり炭素の約 3 分の 1 が地下にあるため、私たちのモデルは地球規模の地球システム モデルで根の増殖を予測するための貴重なツールを提供します。」
植物の根はどのように炭素を貯蔵するのですか?プリンストン大学の研究者は、植物がその根に費やすエネルギーは、他の植物との距離に依存することを発見しました。植物が互いに近づくと、植物は根系に多額の投資を行い、限られた地下資源をめぐって競争します。離れていれば、投資は少なくなります。世界の植生バイオマス (および炭素) の約 3 分の 1 が地下にあるため、このモデルは地球規模の地球システム モデルで根の増殖を予測するための貴重なツールを提供します。コショウの植物は、マドリッドの国立自然科学博物館 (CSIC) の温室で栽培され、単独で植えられた場合と隣人と一緒に植えられた場合の地下での行動がどのように異なるかを調査しました。どの根がどの植物に属しているかを区別するために、近隣のコショウ植物の根を（注射によって）異なる色に染色しました.クレジット:Ciro Cabal、プリンストン大学
植物は 2 つの異なるタイプの根を作ります。土壌から水分や養分を吸収する細い根と、これらの物質を植物の中心に戻す粗い輸送根です。根への植物の「投資」には、生産される根の総量と、これらの根が土壌全体に分布する方法の両方が含まれます。植物は、すべての根を新芽の真下に集中させるか、または根を水平に広げて隣接する土壌で採餌することができます。これは、隣接する植物の根と競合するリスクがあります。
チームのモデルは、植物が土壌を共有していることに気付いたときの根への投資の 2 つの潜在的な結果を予測しました。最初の結果では、隣接する植物は根系を分離して重複を減らすことで「協力」します。 2 番目の結果では、植物が隣の存在のために一方の側のリソースが減少していることを感知すると、その側の根系を短くしますが、茎のすぐ下の根により多く投資します。
自然淘汰はこの 2 番目のシナリオを予測します。なぜなら、各植物は、他の個体にどのように影響するかに関係なく、それぞれの適応度を高めるように作用するからです。植物が互いに非常に接近している場合、これらの根の分離にもかかわらず、根の体積への投資の増加は共有地の悲劇をもたらす可能性があり、それによって資源 (この場合は土壌の水分と栄養素) が枯渇します.
モデルの予測をテストするために、研究者は温室でコショウの植物を個別に、またはペアで育てました。実験の最後に、彼らは植物の根を異なる色に染めて、どの根がどの植物に属しているかを簡単に識別できるようにしました。次に、各植物の根系の総バイオマスと根と新芽の比率を計算し、植物が隣接する植物と一緒に植えられたときに、地下構造と地上構造に蓄積するエネルギーと炭素の量が変化したかどうかを調べ、植物によって生成された種子の数を数えました。相対的適応度の尺度としての各植物。
チームは、結果が一対の植物が互いにどれだけ近いかに依存することを発見しました.非常に近くに植えられた場合、植物は根系に多額の投資を行い、限られた地下資源をめぐって互いに打ち負かそうとする可能性が高くなります。離れた場所に植えると、単独の植物よりも根系への投資が少なくなる可能性があります。
具体的には、コショウの木を他の植物の近くに植えると、根への投資が局所的に増加し、根を水平方向に伸ばす量が減り、隣人との重なりが減ることがわかりました。単独植物と共生植物の場合、地上構造物と比較して、根の総バイオマスまたは根への相対的な投資（植物ごとに生産される種子の数を含む）に差がなかったため、「共有地の悲劇」シナリオの証拠はありませんでした。 .
植物は大気から二酸化炭素を除去し、その構造に蓄積します。この栄養炭素の 3 分の 1 は根に蓄えられます。さまざまなシナリオで炭素堆積がどのように変化するかを理解することは、炭素吸収をより正確に予測するのに役立ち、ひいては気候変動を緩和するための戦略を設計するのに役立つ可能性があります。この研究は、食糧生産の最適化にも役立つ可能性があります。作物の収量を最大化するには、地下 (および地上) 資源を最適に使用する方法を理解することが役立つからです。
参照:「植物の根の搾取的分離」、Ciro Cabal、Ricardo Martínez-García、Aurora de Castro、Fernando Valladares、Stephen W. Pacala 著、2020 年 12 月 4 日、Science .
DOI:10.1126/science.aba9877
この論文の他の共著者は、EEB の元博士研究員で、現在は南米基礎研究所の教授である Ricardo Martínez-García です。スペイン国立自然科学博物館の生物地理学および地球変動学科の学位論文の一部としてこのプロジェクトに取り組んだオーロラ・デ・カストロ氏。 Fernando Valladares は、レイ フアン カルロス大学の生物学、地質学、物理学および無機化学科の准教授であり、スペイン国立自然科学博物館の生物地理学および地球変動学科の研究者です。
Ciro Cabal、Ricardo Martínez-García、Aurora de Castro、Fernando Valladares、Stephen W. Pacala による「植物の根の搾取的分離」は、Science の 12 月 4 日号に掲載されています。 (DOI:10.1126/science.aba9877)。この作品は、プリンストン大学の生態学および進化生物学科のフェローシップによってサポートされていました。ゴードンとベティ・ムーア財団 (グラント GBMF2550.06); Instituto Serrapilheira (grant Serra-1911-31200);サンパウロ研究財団 (グラント ICTP-SAIFR 2016/01343-7); Programa Jovens Pesquisadores em Centros Emergentes (2019/24433-0);シモンズ財団。スペイン科学・イノベーション・大学省 (COMEDIAS grant CGL2017-83170-R);およびプリンストン環境研究所の炭素削減イニシアチブ。
