樹木的“地下交易”：不挪窩，也在做買賣

fengfeixue0219

看似平和而安詳?shù)纳郑瑢?shí)際上無時無刻不在進(jìn)行著殘酷的競賽。在地面之上，植物需要不斷地長高和擴(kuò)大葉片面積，以爭取得到更多的陽光和吸收更多的二氧化碳；在地面之下，植物則伸展著根系，來獲得更多的水分和礦物質(zhì)元素。而這一切都是為了更好地進(jìn)行光合作用，從而生產(chǎn)植物生長所必需的有機(jī)物。

生存不易，辛辛苦苦進(jìn)行光合作用產(chǎn)出的東西，沒道理不自己留著對不對？科學(xué)家們也曾這樣認(rèn)為。由于不同植株之間極少存在“吃與被吃”的關(guān)系，因此，一個傳統(tǒng)的、顯而易見的觀點(diǎn)是，光合作用的產(chǎn)物（或者叫“同化產(chǎn)物”）一旦在植物體內(nèi)被合成，就不會輕易在不同植株間“易手”——除非脫落或死亡。

然而，瑞士巴塞爾大學(xué)和瑞士保羅謝爾研究所的一項(xiàng)研究，卻向這一看似“天經(jīng)地義”的觀點(diǎn)發(fā)出了挑戰(zhàn)。研究者們發(fā)現(xiàn)，植物通過枝葉合成的同化產(chǎn)物，會通過根系在不同植株間發(fā)生巨量的轉(zhuǎn)移。換句話說，植物也會通過根系進(jìn)行“地下交易”，相互交換自身合成的有機(jī)物。這一結(jié)果發(fā)表在最新一期的《科學(xué)》雜志上。

這幾棵樹要的二氧化碳，我承包了

根系埋藏于地下，并不輕易顯露真身；而層層的分支，更使得植物的根從數(shù)十厘米粗的主根，一路分為直徑不足1毫米的細(xì)根。要探究有機(jī)物在如此纖細(xì)而復(fù)雜的根系網(wǎng)絡(luò)中如何轉(zhuǎn)移，看起來幾乎是一項(xiàng)不可能完成的任務(wù)。

不過，科學(xué)家們另辟蹊徑，利用一種被稱為“開放大氣二氧化碳富集”的技術(shù)，使用人工提供的二氧化碳對植物體內(nèi)的有機(jī)物進(jìn)行標(biāo)記，進(jìn)而追蹤了這些有機(jī)物的移動途徑。

科學(xué)家們在瑞士巴塞爾地區(qū)的一片混交林中開展的這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)，本身就是一項(xiàng)大工程——他們選取了5株高度近40米的挪威冷杉為實(shí)驗(yàn)對象，通過起重機(jī)在每棵樹的樹冠上布滿了能釋放二氧化碳的管道。通過精密的電子閥控制和傳感器監(jiān)測，整套FACE系統(tǒng)能將樹冠籠罩在一定濃度的“標(biāo)記用二氧化碳”氛圍之中，時間長達(dá)5年之久。

這些標(biāo)記用的二氧化碳跟大氣中的二氧化碳有什么區(qū)別呢？嚴(yán)格來說，標(biāo)記用的二氧化碳?xì)怏w相當(dāng)“純凈”——純凈到幾乎只由含有12C原子的二氧化碳分子組成，而含有13C原子的二氧化碳分子含量則遠(yuǎn)低于大氣中的二氧化碳水平。換句話說，科學(xué)家們是用低13C豐度的二氧化碳來標(biāo)記樹木的。

這樣一來，那些被標(biāo)記的挪威冷杉體內(nèi)的碳中，13C的豐度要低于周圍沒有被標(biāo)記的樹木——包括另外5棵作為對照的挪威冷杉。這種碳同位素豐度微小的差異也足以被科學(xué)家們檢測出來，從而測量樹木不同組分以及不同樹木間碳同位素豐度的變化，最后重構(gòu)有機(jī)物在植物體內(nèi)和植物間的傳遞和轉(zhuǎn)移過程。

根系之間的大買賣

研究者們在分析與被標(biāo)記的挪威冷杉相鄰的樹木，如歐洲赤松、歐洲山毛櫸以及歐洲落葉松的13C豐度時發(fā)現(xiàn)，這些樹木的根部，尤其是細(xì)根的13C豐度也發(fā)生了顯著的下降，而它們樹冠部位的13C豐度則沒有顯著變化。

這一結(jié)果表明，被標(biāo)記的挪威冷杉的根系和周圍的樹木間發(fā)生了有機(jī)物的交換，低13C豐度的有機(jī)物被周圍樹木吸收，而其本身也獲得了其他樹木所產(chǎn)生的高13C豐度的有機(jī)物。通過對植物細(xì)根13C豐度的精細(xì)測量可以推算，一棵樹木的細(xì)根中，有近40%的有機(jī)物被轉(zhuǎn)移給了其他植株。如果換算到每公頃土地上，那么植物細(xì)根間交換的有機(jī)物高達(dá)每年280千克。

那么，如此大量的有機(jī)物交換是如何發(fā)生的呢？科學(xué)家們將目光投向了一大類植物的共生者：菌根真菌。人們很早之前就知道，幾乎所有的樹木根系表面都會有真菌附著，形成所謂菌根的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。菌根的存在，不但有助于水分、礦物質(zhì)的吸收，更為重要的是介導(dǎo)了復(fù)雜的有機(jī)物合成和轉(zhuǎn)運(yùn)的過程。

研究者對土壤中與植物根系共生的菌根菌，以及普通的腐生真菌體內(nèi)13C豐度進(jìn)行了測量，發(fā)現(xiàn)在未被標(biāo)記的樹木根際土壤中，菌根菌和腐生菌具有類似的高13C豐度。而在被標(biāo)記的樹木及其鄰近樹木根際土壤中，菌根菌體內(nèi)的13C豐度則顯著下降，但腐生菌沒有顯著變化。這一現(xiàn)象表明，樹木根系間有機(jī)物的轉(zhuǎn)移，并非是由植物組織脫落、死亡、分解造成的，而是通過共生菌根菌主動進(jìn)行的。

這一實(shí)驗(yàn)結(jié)果提示，植物之間的相互關(guān)系，遠(yuǎn)比人們之前所想象的頻繁和復(fù)雜：植物根系間不但存在化學(xué)信息交流（如化感作用等）、物質(zhì)資源競爭，還存在著同化產(chǎn)物的交換。

那么，這種“地下交易”為什么會產(chǎn)生呢？目前我們還不知道確切原因。一個可能的解釋是，植物向共生真菌提供了大量的有機(jī)物來支持自身菌根的生長，而不同植株的不同菌根之間則會爭奪和再次分配這些有機(jī)物，從而形成了有機(jī)物的多向轉(zhuǎn)移。不過，這一猜想還有待進(jìn)一步的研究。但無論如何，這一發(fā)現(xiàn)為我們打開了一扇了解森林生態(tài)系統(tǒng)運(yùn)作規(guī)律的新窗口。