河南农业大学博士生以第一作者身份发表Nature Plants|植物|菌根

河南农业大学博士生以第一作者身份发表Nature Plants

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北京时间2025年8月19日，河南农业大学孔德良教授课题组、河南大学李国勇教授课题组与南方科技大学王俊坚研究员课题组合作，在《自然—植物》（Nature Plants）杂志在线发表了题为“Arbuscular mycorrhizal association regulates global root-seed coordination”的研究论文。

该研究首次报道了全球尺度上植物根系与种子性状的协同变化规律，并揭示了菌根真菌通过磷获取和致病菌防御功能在根-种子协同关系中的关键作用。

根系对土壤水和养分的有效吸收是植物生长的基础，而根系的构建和功能的发挥离不开叶片提供的光合产物。在进化过程中，地下根系与地上器官的协同进化使维管植物能够以多样的性状组合适应异质环境。例如，根系资源保守维度（如根氮含量和根组织密度）往往与叶片经济学谱（如叶氮含量和比叶重）紧密关联。尽管人们对根系与地上器官的协变机制有深入的认识，但根系与种子间是否存在协变关系迄今仍处于“一片空白”，更鲜有研究探讨其背后的驱动机制。

陆地植物为了适应异质环境，在其形态和功能上发生了巨大的变化。吸收根直径超过100倍的种间差异导致其获取水和养分的能力发生显著差异，而种子质量的种间差异更是达到了13个数量级，对其扩散和萌发具有显著分化。为适应环境变化，变异如此巨大的两个器官可能并非独立变化。从理论上讲，根系与种子在植物生命周期中至少有两个阶段是相互联系的：（1）繁殖阶段，种子的生长离不开根系对其水分和养分的供给。（2）幼苗阶段，幼苗器官构建的初期（如根系）离不开种子内储存的营养物质。因此，解析吸收根直径与种子大小的关系，是阐明根-种子协变关系的关键环节。

基于上述植物繁殖和幼苗阶段的情况，研究人员提出以下三个机制来解释根-种子关系的形成机制（图1）。（1）物质运输假说：较粗的吸收根通过其内粗的导管提升水和养分运输效率，支撑大种子生长发育。（2）菌根磷吸收假说：大种子丛枝菌根（AM）植物倾向于生长出厚皮层的吸收根，通过定殖菌根真菌提升磷获取能力，满足大种子生长所需；外生菌根（ECM）植物，无论其吸收根的粗细，往往都可被致密ECM菌丝鞘包裹，供给种子生长的磷需求。（3）致病菌假说：幼苗根系易受母株附近致病菌侵害（Janzen-Connell效应），因此大种子AM植物倾向构建粗吸收根，通过厚的皮层共生菌根真菌抵御致病菌；外生菌根（ECM）植物，其根系被ECM菌丝鞘包裹，对致病菌的防御较强，因而其大种子植物的根系无需生长粗吸收根。

图1. 关于根-种子关系的三种机制。a, 物质运输假说；b，菌根磷吸收假说；c，致病菌假说。

研究团队在我国云南西双版纳至黑龙江呼中的11个代表性森林（涵盖热带至温带各种气候类型）中，采集660种木本植物的根、茎、叶和种子样本（图2），测定各器官性状，尤其是吸收根解剖结构特征：皮层厚度、导管直径与导管密度，并整合“GRooT“数据库及全球相关文献数据。

图2. 系统发育树。系统发育图内圈外部的各种颜色条对应于各植物物种的菌根类群、生长形式和气候区（从内到外依次为上述内容）。

研究结果首次发现，全球尺度上AM植物，其平均单个种子质量与吸收根直径显著正相关；更为重要的是种子质量与吸收根皮层厚度显著相关，而与吸收根导管大小无关（图3）。相比之下，ECM植物的吸收根与与种子质量无关。进一步研究揭示：根-种子的上述协变关系不是由根系导管所介导的物质运输功能所驱动，而与AM真菌的多功能性有关，即磷吸收和防御致病菌。

图3. 根直径与种子质量之间的全球关系。针对丛枝菌根（AM）植物物种（a）和外生菌根（ECM）植物物种（b），我们使用了整合实地测量数据和文献数据进行分析。

植物根系与种子协同变化的格局和机制的揭示对我们认识陆地植物多样性的形成和维持提供了全新的角度，并且对农林业生产实践有重要的应用价值。

河南农业大学孔德良教授、河南大学李国勇教授和南方科技大学王俊坚教授为论文共同通讯作者，河南农业大学林学院博士研究生杨庆培为论文第一作者。河南农业大学杨喜田教授、范国强教授、赵勇教授、王政教授、任伟征博士，美国纽约大学环境研究系卢明镇教授，中国科学院东北地理与农业生态研究所刘艳杰研究员，东北林业大学何念鹏教授，台州学院杨万勤教授，河南大学杨中领教授，山东农业大学和中国科学院昆明植物所李德铢教授，中国科学院昆明植物所蔡杰高级工程师，北京大学曾辉教授，郑州大学丁俊祥博士，瑞典农业大学Paul Kardol教授，美国科学院院士Peter B. Reich教授，美国科学院院士Sandra Díaz教授，欧洲科学院院士Richard D. Bardgett教授，澳大利亚科学院院士Ian J. Wright教授，荷兰阿姆斯特丹自由大学Johannes H.C. Cornelissen教授，美国加州大学洛杉矶分校Nathan J. B. Kraft教授，爱沙尼亚塔尔图大学Carlos P. Carmona副教授，美国德克萨斯农工大学J. Aaron Hogan博士，美国佛罗里达国际大学Oscar J. Valverde-Barrantes博士，以及河南农业大学博士研究生郭冰林、张月、吴会芳、李镇江，硕士研究生韩勤文、裴雨欣共同参与此项工作。

本研究得到了国家自然科学基金、河南省基础领军人才、河南省卓越青年创新研究群体项目、河南省外籍科学家工作室项目、河南农业大学科研基金资助、国家自然科学基金项目、广东省土壤与地下水污染控制重点实验室项目、高水平大学专项基金项目等项目资助。