本研究由James F. Cahill Jr.（通讯作者）、Gordon G. McNickle、Joshua J. Haag（现单位已变更）、Eric G. Lamb、Samson M. Nyanumba和Colleen Cassady St. Clair共同完成，作者单位包括加拿大阿尔伯塔大学（University of Alberta）生物科学系和萨斯喀彻温大学（University of Saskatchewan）植物科学系。研究成果以《plants integrate information about nutrients and neighbors》为题，于2010年6月25日发表在《Science》期刊第328卷第5986期。

学术背景

本研究属于植物行为生态学（plant behavioral ecology）领域，聚焦植物如何整合环境中的营养分布与竞争信号来调整根系生长策略。已有研究表明，植物能通过改变根系空间分布响应资源斑块性（resource patchiness）（Hodge, 2004），且竞争者会诱导根系生长增强（Gersani et al., 2001）或减弱（Mahall & Callaway, 1991）。然而，植物是否能够综合这两类信息尚不明确。本研究以锦葵科植物苘麻（Abutilon theophrasti）为对象，旨在揭示其根系觅食行为是环境信息的简单叠加响应，还是通过新型行为模式适应不同条件组合。

研究流程

1. 实验设计

   • 处理组合：采用双因素设计，包括土壤异质性（均匀分布uniform、斑块中心patch-center、斑块边缘patch-edge）和竞争处理（单独生长alone vs. 竞争生长with competition），共6种组合（图1a-f）。
     
   • 样本设置：每个中生态系（mesocosm）中，目标植株（focal plant）固定种植于一侧，竞争处理组在另一侧种植同种个体，对照组则无竞争者。
     
   • 营养分布：均匀分布（图1a,d）、斑块集中于中生态系中心（图1b,e）或靠近目标植株外侧边缘（图1c,f）。
     

2. 数据采集

   • 根系成像：使用微型根管相机（mini-rhizotron camera）连续8周记录根系分布。
     
   • 标记与分离：实验结束后切除地上部分，向不同根系注入彩色染料（dyes），通过颜色区分目标植株与竞争者根系（Holzapfel & Alpert, 2003）。
     
   • 测量指标：目标植株根系在各土壤区域的出现概率（presence-absence）、最大根幅（maximum rooting breadth）、根与地上部生物量。
     

3. 数据分析

   • 统计模型：采用混合模型（mixed models），固定效应为土壤异质性和竞争处理，随机效应为中生态系。对于根系出现概率数据，额外纳入距离茎干的固定效应和中生态系随机效应。
     
   • 交互作用检验：三阶交互（距离×异质性×竞争）影响根系出现概率（p=0.04），而异质性与竞争的交互作用影响根幅（p=0.075）。
     

主要结果

1. 无竞争时的策略
   单独生长的植株均采用广泛觅食策略，根系分布不受营养空间配置影响（图1a-c），与苘麻的既往研究一致（Kembel & Cahill, 2005）。

2. 竞争存在时的调节

   • 均匀土壤：竞争导致目标植株根系分布显著受限（图1d），形成与竞争者的空间隔离（spatial segregation）。
     
   • 中心斑块：根系分布较宽（图1e），双方根系在斑块区重叠，无隔离现象。
     
   • 边缘斑块：根幅介于上述两者之间（图1f），表明营养分布方向调节竞争效应。
     

结论与意义

本研究提出苘麻的根系布局遵循层级决策规则：
1. 无竞争者时，采用与资源分布无关的广泛觅食策略；
2. 存在竞争者时，转为受限策略，且受营养分布调制。这种非叠加性（nonadditive）信息整合机制表明，植物行为可能比传统认知更复杂，对理解物种共存（species coexistence）、生态位分化（niche differentiation）及植物行为生态学基础理论具有重要价值。

研究亮点

1. 创新发现：首次证实植物能整合营养与竞争信号，通过层级决策调整根系策略。
   
2. 方法创新：结合微型根管成像与染料标记技术，实现根系空间分布的精准量化。
   
3. 理论意义：为植物行为复杂性提供了实证支持，挑战了简单环境响应的传统范式。
   

其他价值

研究得到加拿大自然科学与工程研究理事会（NSERC）资助，数据与材料方法可通过《Science》在线补充材料获取（DOI: 10.1126/science.1189736）。