Welkom bij
Moderne landbouw
!
Met dank aan Liana Wait, afgestudeerde student, Princeton University Department of Ecology and Evolutionary Biology voor dit artikel. Je kunt het hier in zijn originele vorm zien.
Je hebt misschien planten gezien die strijden om zonlicht - de manier waarop ze zich naar boven en naar buiten uitstrekken om elkaars toegang tot de zonnestralen te blokkeren - maar uit het zicht vindt ondergronds een ander soort competitie plaats. Op dezelfde manier waarop je de manier verandert waarop je gratis snacks zoekt in de pauzeruimte wanneer je collega's aanwezig zijn, veranderen planten hun gebruik van ondergrondse hulpbronnen wanneer ze naast andere planten worden geplant.
In een paper gepubliceerd vorige maand in Science (en stond op de cover ), een internationaal team van onderzoekers onder leiding van Princeton-afgestudeerde student Ciro Cabal werpt licht op het ondergrondse leven van planten. Hun onderzoek gebruikte een combinatie van modellering en een kasexperiment om te ontdekken of planten anders investeren in wortelstructuren wanneer ze alleen worden geplant dan wanneer ze naast een buurman worden geplant.
"Deze studie was erg leuk omdat het verschillende soorten hersenspinsels combineerde om ogenschijnlijk tegenstrijdige resultaten in de literatuur met elkaar te verzoenen:een slim experiment, een nieuwe methode voor het observeren van wortelstelsels in intacte bodems en eenvoudige wiskundige theorie," zei Stephan Pacala , de Frederick D. Petrie Professor in Ecologie en Evolutionaire Biologie (EEB) en de senior auteur op het papier.
"Hoewel de bovengrondse delen van planten uitgebreid zijn bestudeerd, inclusief hoeveel koolstof ze kunnen opslaan, weten we veel minder over hoe ondergrondse delen - dat wil zeggen wortels - koolstof opslaan", zei Cabal, een Ph.D. student in het laboratorium van Pacala. "Aangezien ongeveer een derde van 's werelds vegetatiebiomassa, dus koolstof, zich ondergronds bevindt, biedt ons model een waardevol hulpmiddel om wortelproliferatie te voorspellen in wereldwijde aardsysteemmodellen."
Planten maken twee verschillende soorten wortels:fijne wortels die water en voedingsstoffen uit de grond opnemen, en grove transportwortels die deze stoffen terug naar het centrum van de plant transporteren. Plant "investering" in wortels omvat zowel het totale volume geproduceerde wortels als de manier waarop deze wortels door de grond worden verdeeld. Een plant kan al zijn wortels direct onder zijn scheuten concentreren, of hij kan zijn wortels horizontaal uitspreiden om in de aangrenzende grond te foerageren - wat concurrentie met de wortels van naburige planten in gevaar brengt.
Het model van het team voorspelde twee mogelijke uitkomsten voor wortelinvestering wanneer planten merken dat ze grond delen. In het eerste resultaat "werken" de naburige planten samen door hun wortelsystemen te scheiden om overlapping te verminderen, wat leidt tot het produceren van minder wortels in het algemeen dan wanneer ze solitair zouden zijn. In het tweede resultaat, wanneer een plant aan één kant minder middelen voelt vanwege de aanwezigheid van een buur, verkort hij zijn wortelsysteem aan die kant, maar investeert hij meer in wortels direct onder zijn stengel.
Natuurlijke selectie voorspelt dit tweede scenario, omdat elke plant werkt om zijn eigen fitheid te verbeteren, ongeacht hoe die acties andere individuen beïnvloeden. Als planten heel dicht bij elkaar staan, kan deze grotere investering in wortelvolume, ondanks de segregatie van die wortels, resulteren in een tragedie van de commons, waarbij de hulpbronnen (in dit geval bodemvocht en voedingsstoffen) uitgeput raken.
Om de voorspellingen van het model te testen, kweekten de onderzoekers paprikaplanten zowel individueel als in paren in een kas. Aan het einde van het experiment verfden ze de wortels van de planten in verschillende kleuren, zodat ze gemakkelijk konden zien welke wortels bij welke plant hoorden. Vervolgens berekenden ze de totale biomassa van het wortelsysteem van elke plant en de verhouding tussen wortels en scheuten, om te zien of planten veranderden hoeveel energie en koolstof ze afzetten in ondergrondse en bovengrondse structuren wanneer ze naast buren werden geplant, en telden ze het aantal zaden geproduceerd door elke plant als maatstaf voor relatieve fitheid.
Het team ontdekte dat het resultaat afhangt van hoe dicht een plantenpaar bij elkaar staat. Als ze heel dicht bij elkaar worden geplant, zullen planten eerder zwaar investeren in hun wortelstelsel om te proberen elkaar te overtroeven voor eindige ondergrondse hulpbronnen; als ze verder uit elkaar worden geplant, zullen ze waarschijnlijk minder in hun wortelsysteem investeren dan een solitaire plant.
Ze ontdekten met name dat peperplanten, wanneer ze in de buurt van andere planten werden geplant, plaatselijk meer investeringen in wortels deden en de mate waarin ze hun wortels horizontaal uitstrekken verminderden, om overlap met buren te verminderen. Er was geen bewijs voor een "tragedy of the commons"-scenario, aangezien er geen verschil was in de totale wortelbiomassa of relatieve investering in wortels in vergelijking met bovengrondse structuren (inclusief het aantal geproduceerde zaden per plant) voor solitaire versus samenlevende planten .
Planten halen koolstofdioxide uit de atmosfeer en deponeren het in hun structuren - en een derde van deze vegetatieve koolstof wordt opgeslagen in de wortels. Als we begrijpen hoe koolstofafzetting in verschillende scenario's verandert, kunnen we de koolstofopname nauwkeuriger voorspellen, wat op zijn beurt kan helpen bij het ontwerpen van strategieën om de klimaatverandering te verminderen. Dit onderzoek zou ook kunnen helpen bij het optimaliseren van de voedselproductie, want om de oogstopbrengst te maximaliseren, is het nuttig om te begrijpen hoe je ondergrondse (en bovengrondse) hulpbronnen optimaal kunt gebruiken.
De andere co-auteurs op het papier zijn Ricardo Martínez-García, een voormalig postdoctoraal fellow bij EEB die nu professor is aan het South American Institute for Fundamental Research; Aurora de Castro, die aan het project werkte als onderdeel van een afstudeerscriptie voor de afdeling Biogeography and Global Change van het Spaanse Nationale Museum voor Natuurwetenschappen; en Fernando Valladares, universitair hoofddocent bij de afdeling Biologie, Geologie, Natuurkunde en Anorganische Chemie aan de Rey Juan Carlos Universiteit en onderzoeker bij de afdeling Biogeografie en Global Change van het Spaanse Nationale Museum voor Natuurwetenschappen.
