本研究由Erin E. O’Brien(加州大学圣巴巴拉分校生态与进化生物学系)、Mordechai Gersani(本-古里安大学生命科学系)和Joel S. Brown(伊利诺伊大学芝加哥分校生物科学系)合作完成,于2005年发表在《New Phytologist》期刊第168卷第401-412页。
本研究属于植物行为生态学领域,重点关注地下资源竞争中的植物行为策略。研究基于”公地悲剧”(Tragedy of the Commons)理论框架,该理论由Hardin(1968)提出,原用于解释公共资源被过度利用的社会现象。Gerasi等人(2001)首次将该理论应用于植物根系竞争研究,发现一年生植物在面临种间根系竞争时会过度增殖根系,导致集体产量下降。
研究背景知识包括:
1. 植物能感知环境养分异质性并调整根系分布(即”营养觅食”策略)
2. 某些植物(如豌豆Pisum sativum)能区分自身与邻株的根系
3. 前人研究表明,大豆(Glycine max)和肯尼亚豆(Phaseolus varigaris var. Kenya)在种间竞争时会出现根系过度增殖现象
本研究有两个主要目标:
1. 验证豌豆在双盆实验(two-pot experiment)中是否表现出类似的”公地悲剧”现象
2. 通过三盆实验(three-pot experiment)探究植物能否根据局部竞争环境差异(存在/不存在种间竞争)调整根系增殖策略
所有实验使用豌豆(Pisum sativum)作为研究对象,采用分根幼苗培养技术:
- 将初生主根(<5mm)修剪成2-4个根系系统
- 选择大小相近的幼苗(根系长度差异<3mm)配对
- 种植于装有蛭石的盆中(标准圆形盆500ml或等体积方盆)
实验于1995年在以色列本-古里安大学温室进行,包含两种处理:
1. “篱笆坐者”(Fence-sitters):两株分根植物各将两个根系分别植入两个相邻盆中,形成种间竞争
2. “独占者”(Owners):每株植物的两个根系都植入一个盆中,另一株种植于相邻盆,避免种间竞争
实验变量:
- 营养浓度:0.1 vs 0.6强度霍格兰溶液(Hoagland’s solution)
- 样本量:20个重复(一个因植株死亡被剔除)
实验流程:
1. 每两天灌溉一次营养液
2. 60天后收获植株
3. 测定各器官干重(根、豆荚、种子、叶、茎)
首次实验于1997年在芝加哥伊利诺伊大学温室进行,改良实验于1998年重复。实验设计包含六个处理:
核心对比:
- 共享盆有无分隔物(塑料隔板),用于控制种间竞争存在与否
- 初始根系数量差异:独占盆中植入1或2个根系
- 独占盆分隔处理:测试盆内空间分隔对根系增殖的影响
实验流程:
1. 每周供给0.2强度霍格兰溶液
2. 每周用蒸馏水冲洗一次
3. 两个月后收获测定各器官生物量
1998年进行的补充实验,包含十个处理(表1):
- 三盆处理(A-D):验证根系增殖模式对营养供给方式的稳健性
- 双盆控制组(E-J):独立测试空间体积与营养总量的影响
- 营养供给方式:连续供给 vs 脉冲式供给