**摘要**
植物将有限的碳基光合产物分配到根部构建、菌根共生和分泌物产生中，以获取养分。全球研究结果表明，这些地下资源的分配限制了物种的根性状表达和权衡，但在磷（P）限制的东南亚（SE）热带森林中是否存在类似的根性状关系仍不确定。在这里，我们研究了定义全球根经济空间（RES）的根性状权衡是否适用于共存于东南亚不同森林类型的丛枝菌根（AM）和外生菌根（EcM）物种。我们研究了在新加坡的原始森林和次生森林中由AM和EcM真菌共存的33个物种，量化了促进磷吸收的根功能性状，如磷酸单酯酶（PME）活性、菌根定殖率以及根的形态和化学性状。我们的研究揭示了由两个主要根性状变异轴定义的RES，这两个轴分别与（1）土壤探索能力和（2）根资源保守性和养分利用有关。然而，与其他研究相比，大多数物种的菌根定殖率始终较低，并且与土壤探索根性状梯度无关。此外，不同菌根类型的根性状存在显著差异。东南亚的EcM物种表现出细长的根和较高的特定根长度以及根PME活性，而AM物种则表现出多样的性状组合，但根较粗，含有更多的钾和镁。最后，不同森林类型中的常见物种的根性状变化很小，这表明原始森林和次生森林之间的根性状表达差异是由物种更替引起的。我们的发现强调了在评估热带物种的磷吸收权衡时，需要结合根酶活性和菌根定殖情况，以便将结果推广到不同系统发育谱系、菌根类型和森林类型的物种中。这类信息对于完善全球植被模型以捕捉多样化的热带森林生态系统中的地下功能至关重要。
**引言**
根系连接植物与土壤的界面，决定了植物的养分吸收（Bardgett等人，2014；Freschet等人，2021）以及与土壤微生物的相互作用（Spitzer等人，2021）。根系及其共生体通过土壤基质扩散以定殖和利用养分斑块（Hodge，2004）。此外，根系产生分泌物以刺激根际活动（Finzi等人，2015）并矿化土壤养分（Gan等人，2021；Wang等人，2021）。因此，根系及其共生体在决定植物-土壤养分通量、驱动生物地球化学循环方面起着关键作用。然而，很少有研究探讨细根如何与共生体和分泌物产生协同作用以促进植物养分吸收。根系与菌根共生体的共同进化产生了当今植物观察到的多种地下养分获取策略。进化上古老的类群（例如木兰类）具有粗厚的吸收根（Ma等人，2018），并与丛枝菌根（AM）相关联，而源自蔷薇类和菊类的较新衍生物物种则演化出更细、更薄的根，以自主探索土壤，但根皮层较小，以容纳AM共生体（Ma等人，2018；Valverde-Barrantes等人，2016）。相比之下，外生菌根（EcM）由多个腐生真菌谱系演化而来（Looney等人，2022），具有分解土壤有机物（SOM）的能力（Looney等人，2022；Shah等人，2016）。与EcM真菌的较新共生关系存在于多个植物科中（例如龙脑香科和壳斗科；Brundrett，2002），增强了它们从SOM中动员有机养分的形式的能力（Chalot & Brun，1998）。虽然根系和菌根-based养分获取策略的进化在温带社区已有充分记录（Valverde-Barrantes等人，2017），但系统发育对物种间根性状变异的影响仍不清楚，特别是在养分多样性丰富的热带生态系统中（Weemstra等人，2023）。植物采用的一种关键策略是通过增加根-土壤界面面积来最大化植物-土壤探索能力。植物通过较高的特定根长度（SRL）和特定根表面积（SRSA）或通过根外菌根菌丝来实现这一目标（Lõhmus等人，1989；Ostonen等人，2007；Chen等人，2016；Liu等人，2015）。AM物种的菌根定殖率（MCR）与根直径（RD）相关，反映了AM内细胞感染的根皮层面积（Eissenstat等人，2015；Kong等人，2014；Valverde-Barrantes等人，2016），而EcM定殖可能通过根分支强度（RBI）得到增强，以促进根尖的细胞间感染（Comas等人，2014）。由于根部构建和菌根共生都需要光合产物（Chen, Koide, & Eissenstat，2018），物种可能在通过土壤探索根性状（SRL, SRSA）直接获取资源和通过调控AM和EcM定殖的真菌合作性状（RD, RBI, MCR）间接获取资源之间表现出权衡（Bergmann等人，2020；Chen, Koide, & Eissenstat，2018）。这种权衡现在被称为根经济空间（RES）内的真菌合作梯度（参见Bergmann等人，2020）。除了通过土壤探索获取养分外，物种还可能投资于从土壤中提取较难获取的养分的策略，特别是在矿物养分可用性低的土壤环境中。例如，当土壤无机磷（Pi）有限时，植物的根可以产生磷酸酶来分解SOM中的Pi以供根系吸收（Antibus等人，1997；Ushio等人，2015）。AM和EcM物种都能产生简单的磷酸酶，如磷酸单酯酶（PME；Hirano等人，2022；Yaffar等人，2021）。然而，由于EcM最近从腐生真菌演化而来（Looney等人，2022；Shah等人，2016），EcM物种可能比AM物种具有更广泛的磷酸酶酶谱。虽然通过根酶特性利用土壤中的有机磷（Po）对植物营养非常重要，但关于根PME如何与其他植物养分获取策略协调仍没有共识（Guilbeault-Mayers & Laliberté，2024；Han等人，2022；Yaffar等人，2021）。另一种优化根功能的策略是通过改变根构建过程中的碳（C）投资回报率来投资于高效的养分利用策略（Bloom等人，1985）。一些物种产生的根在根构建过程中具有较高的C投资回报率。这些根富含氮（N），寿命短且代谢活跃（Reich等人，2008），能够快速吸收养分以实现短期资源获取（Reich，2014）。其他物种则构建利润较高的长期C投资回报根。这些根具有较高的初始C投资，从而实现较高的根组织密度（RTD）和较低的N含量，以延长寿命和增加投资回报，但短期养分获取速度较慢（Kong等人，2014；Reich，2014）。C和N投资回报率的权衡被称为RES的保护梯度（Bergmann等人，2020；Kong等人，2014）。然而，尚不清楚N的养分利用策略趋势是否也适用于磷（P）和其他养分，特别是在土壤P可用性通常受限的热带生态系统中（Cunha等人，2022；He等人，2023）。在本研究中，我们填补了东南亚森林根性状研究的空白，扩展了细根性状的空间，包括与克服磷限制相关的根PME、MCR和其他根养分性状。与亚马逊地区以AM为主的热带森林社区不同，东南亚森林以具有独特进化历史的EcM相关物种为主（Hirano等人，2022；Liu等人，2018），使它们能够利用有机磷形式。因此，东南亚森林中的物种可能在应对磷限制时表现出不同的细根性状综合征和权衡。在这里，我们研究了在生物可利用Pi供应较低的土壤中与磷获取相关的根性状（Reichert等人，2022），这种土壤中包含部分以EcM为主的原始森林和以AM为主的次生森林。我们提出以下假设：
H1. 由于根系和菌根真菌的共同进化，物种的根形态和共生性状表现出强烈的系统发育信号（Valverde-Barrantes等人，2017）。
H2. 假设东南亚森林物种遵循其他生态系统的全球性状权衡（Bergmann等人，2020），则物种的细根性状应协调定义由两个性状权衡构成的RES。由于物种在光合产物投资于根系增殖和菌根共生之间存在权衡（Bergmann等人，2020；Chen, Koide, & Eissenstat，2018），我们预计在促进土壤探索的性状（SRL）与菌根定殖（EcM物种的MCR，AM物种的RD）之间存在权衡。我们还预计根养分性状与RTD之间存在第二个权衡，反映了随着时间推移在C投资方面的养分利用权衡，即通过最大化RTD来增加根寿命与通过代谢活跃、养分丰富的根实现短期养分回报之间的权衡（Bergmann等人，2020；Reich，2014；Reich等人，2008）。
H3. 在RES内，我们预计AM和EcM物种之间存在显著差异，这归因于它们独特的进化历史，导致了不同的根性状综合征和养分获取策略。鉴于EcM真菌的酶能力（Shah等人，2016），EcM物种的根应表现出更高的根PME活性来从有机物质中提取磷，而AM相关物种的根应表现出促进土壤探索以获取无机磷的性状综合征，无论是通过较高的SRL和SRSA还是通过较大的MCR。
H4. 我们预计在RES内的原始森林和次生森林物种之间也会出现类似的差异化。具体来说，我们预计原始森林物种的根PME活性更高，这是由于EcM物种更丰富，它们通过根PME利用有机磷；而次生森林物种则表现出更高的SRL、SRSA和MCR，以提高无机磷的觅食效率。
**材料与方法**
**研究地点和物种选择**
我们的研究地点位于新加坡的武吉蒂马自然保护区（BTNR）（1°21′14″N, 103°46′37″E）。气候为非季节性，2017年至2022年的年平均降雨量约为2500毫米（新加坡气象局，2023年）。该保护区面积为163公顷，包括70公顷的沿海丘陵龙脑香科原始森林和70年的再生次生森林（Chua等人，2013），这片森林曾用于农业（Corlett，1988年）。原始森林以与EcM相关的龙脑香科植物为主，旁边是成熟的以AM相关的多年生先锋植物为主的次生森林（Chua等人，2013）。这两种森林类型都生长在武吉蒂马花岗岩上形成的典型古土壤类型（Rengam系列）上（Ives，1977），其总P含量较低（原始森林 = 57 mg kg−1，Psec = 112 mg kg−1；Lee等人未发表的数据），与全球热带森林相比（He等人，2023）。这使我们能够在保持土壤基质一致性的同时，研究森林演替和植物组成对根性状的影响。我们根据2004年至2008年的树木普查（Ngo等人，2013）选择了胸高大于30厘米的树木，以采样细根（<2毫米RD）。我们选择了每种森林类型中的12个主要物种以及两种森林类型共有的9个物种（附录S1：表S1），这些物种是根据2005年树木普查中的物种丰度（Ngo等人，2013）确定的，以涵盖尽可能多的植物谱系。我们每种森林类型每种物种采样了4到5棵树，共计171棵树，涉及33个物种、26个属和17个科（附录S1：表S1）。在次生森林中，由于落叶物的阻碍，只采集了3棵Endospermum diadenum的树木。
**采样程序**
在每棵树上，我们追踪了顶部15厘米土壤中的约5克细根，直至基部茎部以确认其身份。细根被收集并储存在潮湿的Ziplock袋中，然后运输回实验室。样本在4°C下保存，并在采集后1周内进行处理。根被清洗并清除附着的土壤物质。我们分离出一到三级的根，即大多数养分吸收和菌根定殖发生的三个最远端根分支（McCormack等人，2015）。每个样本被分成五个50-100毫克的吸收细根子样本（S1-S5）。子样本S1-S3用于根形态分析和PME活性量化，S4保存在70%乙醇溶液中以量化MCR，S5干燥至恒定质量用于元素分析。
**根性状测量**
我们使用Epson Expression 12000XL LA2400图像扫描仪以600 dpi和42-μm像素大小扫描根子样本S1-S3。图像使用WinRHIZO Pro 2019a软件进行分析，以获取长度（以厘米为单位）、平均直径（以毫米为单位）和根尖数量。每个子样本的总根体积（以立方厘米计）和表面积（以平方厘米计）是通过计算每个根直径（RD）类别在0.2毫米间隔内的根体积和表面积并求和得到的，以此来考虑不同根尺寸类别之间的RD异质性（Rose，2017）。随后，使用Cabugao等人（2021）和Tabatabai与Bremner（1969）改进的方案，对根子样本S1-S3进行了PME测定。子样本S1和S2在26°C的水浴中与醋酸钠-醋酸缓冲液（500毫升蒸馏水中含有1.44克醋酸钠，pH值为5.0）以及底物（50毫摩尔对硝基苯基磷酸盐[pNPP]）共同孵育半小时，对于PME活性较低的样本则孵育一小时。子样本S3则在相同体积的纯缓冲液中孵育以控制根部的染色情况。孵育后，使用0.11毫摩尔NaOH终止反应，并将样品转移至96孔微孔板中。使用Tecan公司生产的Spark Multimode微孔板读数器在400纳米波长下读取吸光度，以每小时为单位量化S1和S2的PME活性，表现为pNPP底物转化为对硝基苯酚（pNP）的速率。我们关注PME活性，以此来间接反映物种采集有机磷（Po）的能力，同时假设物种会优先采集较简单的Po形式，然后再利用需要额外资源投入的更复杂的Po形式（Turner，2008）。尽管如此，我们也认识到物种可能会通过其他类型的磷酸酶（如磷酸二酯酶或植酸酶）来利用大量的复杂Po形式（Hirano等人，2022）。最后，每个子样本都被取回、冲洗并干燥至恒定质量。根的形态学和生理特征根据附录S1：表S2进行计算。通过将根样本S4在121°C的高压釜中用10% NaOH溶液浸泡半小时后清洗，并进一步用稀释的漂白剂溶液清洗，从而量化其MCR（微生物根际碳）。之后将根在水中、5%醋酸和5%圆珠笔墨水（Parker Quink Blue-Black Ink）的混合物中染色2分钟，然后冲洗（Walker，2005）。染色的根在3%醋酸溶液中酸化10分钟后，储存于乳糖甘油溶液中以待后续量化。对于共生真菌（AM）物种，我们在10-40倍放大下使用网格线交叉法计算了大约100个交叉点的根AM定殖情况（包括菌丝、囊泡和丛枝；参见McGonigle等人，1990）。没有发现同时被AM和内生真菌（EcM）双定殖的根，且EcM定殖仅出现在龙脑香科和壳斗科的物种中。我们通过将感染根尖的数量除以计数的总根尖数量（30-100个根尖）来量化EcM的MCR。有三株根尖数量不足的个体未进行EcM定殖检测。最后，从每棵树上获取细根子样本，将其研磨成均匀的粉末，并使用QIAGEN Tissuelyser II（荷兰）进行研磨。五毫克的干燥根样本在Elementar Vario EL Cube（德国）中进行分析，以量化根中的氮（N）含量。剩余的子样本在浓硝酸（70%）中微波消化后，上清液通过电感耦合等离子体 optical emission spectrometry（Agilent 5800 ICP-OES，美国）进行分析，以量化根中的磷（P）、钾（K）、钙（Ca）、镁（Mg）和锰（Mn）含量。所有元素浓度均以干根生物量的毫克每克（mg g−1）表示。对于三株Anisoptera megistocarpa和两株Dipterocarpus caudatus个体，由于根的研磨量不足，我们将同一物种的多株树的根样本混合后一起进行微波消化和ICP-OES分析。
物种系统发育和根性状之间的种间变异性
我们总结了每种物种在森林类型和菌根类型内的简单算术平均值，并将其绘制在系统发育树上，以可视化物种谱系间的根性状变异。我们研究中所有33个物种的完全解析的系统发育树是通过修剪R包V.PhyloMaker2（Jin & Qian，2022）中发现的维管植物mega-phylogeny，并使用R包ape（Paradis & Schliep，2019）中的multi2di函数解决系统发育多项式树状结构而生成的。解析后的树用于测试14个测量根性状的显著系统发育信号（Pagel的λ；Pagel，1999）（附录S1：表S2）。
多变量和双变量性状关系
除了MCR（以%表示）以外的性状值都进行了log10转换，以满足后续分析中对残差正态性和同方差的假设。为了总结多变量细根性状策略，我们使用了R包psych（Revelle，2023）中的principal函数，根据森林类型对物种的标准化log转换后的性状平均值进行了主成分分析（PCA）。由于根性状在系统发育上是保守的（Valverde-Barrantes等人，2017），我们使用R包phytools（Revell，2012）中的phyl.pca函数基于系统发育树对物种的性状平均值进行了系统发育PCA（pPCA），以检验在考虑系统发育后的性状排序是否得以保留。我们使用R包vegan中的adonis2函数进行了9999次置换的排列多重方差分析（PERMANOVA），以测试不同菌根类型（AM vs. EcM）和森林类型（原始森林 vs. 次生森林）之间的显著性状综合征（Oksanen等人，2022）。此外，我们使用同一R包中的betadisper函数进行了排列多重分散分析（PERMDISP）测试，以检验PCA和pPCA空间内两种菌根类型的性状分散是否显著不同。为了测试物种间的双变量性状关系，我们使用R包ape（Paradis & Schliep，2019）中的pic函数评估了系统发育独立的对比（PICs）的物种性状平均值。我们对PICs进行了标准化主轴（SMA）回归分析，以识别所有物种和不同菌根类型间的系统发育独立性状关系（Warton等人，2012）。
单个物种在森林和菌根类型间的比较
为了比较AM和EcM物种的log转换后的性状值，我们使用R包lme4（Bates等人，2015）进行了线性混合模型（LMMs）分析，将菌根类型设为固定效应，森林类型和物种设为随机效应。对于MCR，我们使用了Brooks等人（2017）提出的零膨胀贝塔分布模型（zero-inflated beta-distribution model），因为许多树木的MCR值为零。为了控制异方差性，我们使用Welch的t检验来分别比较每种森林类型内AM和EcM物种的根Mn含量。为了比较不同森林类型间物种的根性状，我们将数据集分为两组：一组只包含在一种森林类型中占优势的物种（“专门化”物种），另一组包含两种森林类型中都存在的物种（“泛化”物种）。在“专门化”物种中，森林类型的显著效应表明森林类型驱动了根性状的变化；而在“泛化”物种中，森林类型的显著效应表明森林类型选择了具有独特性状组合的物种。我们使用LMMs来检验森林类型（固定因子）与菌根类型和物种（随机效应）的效应。所有的LMMs都通过QQ图和残差图进行了视觉检查，以评估正态性和残差的同质性假设。对于MCR，我们使用了贝塔分布模型；对于根Mn，我们使用了上面描述的Welch的t检验来检验森林类型的效应。所有分析均在R v4.3.2（R Core Team，2023）中进行。
种间根性状变异和系统发育信号
几个根形态性状在系统发育上具有结构相关性（H1；见附录S2：表S1）。根直径（RD）从Pertusadina eurhyncha的0.23毫米到Durio zibethinus的0.89毫米不等，呈现出显著的系统发育信号（λ=0.99）。同样，根表面积比（RBI）也显著地具有系统发育保守性（λ=0.90），从Litsea castanea的平均RBI为1.0个根尖每厘米到Nephelium lappaceum的4.2个根尖每厘米不等。然而，MCR本身在系统发育上没有结构相关性（λ=0），但在七个物种中的变化范围从0到Lithocarpus ewyckii的49%不等（壳斗科）。根过氧化氢酶（PME）活性也表现出类似的趋势（λ=0.25），其变化幅度很大，从D. zibethinus的14.7微摩尔pNP每克每小时到Shorea pauciflora的511微摩尔pNP每克每小时不等。图1（在图查看器中打开）
本研究中的物种系统发育和相对性状值。阴影和未阴影的圆圈表示物种的性状值是高于还是低于平均水平，圆圈的大小代表变化幅度。星号表示使用Pagel的λ方法显示具有显著系统发育信号（α=0.05）的性状。本研究包括的性状有特定根长（SRL）、根直径（RD）、特定根表面积（SRSA）、根组织密度（RTD）、根分枝强度（RBI）、根过氧化氢酶（PME）活性、菌根定殖率（MCR）以及根中的氮（N）/钾（K）/钙（Ca）/镁（Mg）和锰（Mn）。与外生菌根（EcM）相关的物种在系统发育树中被标出。我们还发现根化学性状（如根氮（λ=0.92）、磷（λ=0.98）、钾（λ=0.55）和锰（λ=0.45）具有显著的系统发育结构相关性。物种的氮含量在Syzygium nigricans的10.7毫克N每克到真正的固氮植物Pterocarpus indicus的31.8毫克N每克之间变化三倍。根中的磷（P）含量在所有物种间变化七倍，从龙脑香科物种A. megistocarpa的平均0.27毫克P每克到非本地物种Hevea brasiliensis的1.92毫克P每克不等。物种的平均根钾（K）值在S. pauciflora的1.49毫克K每克到H. brasiliensis的11.3毫克K每克之间变化一个数量级。最后，根中的锰（Mn）含量在所有根性状中表现出最大的种间变异，从Prunus polystachya的0.01毫克Mn每克到Palaquium microphyllum的0.94毫克Mn每克不等。
对物种性状平均值进行的PCA揭示了一个由两个主轴定义的根性状空间，捕捉了总根性状变异的52.5%（H2；图2A；附录S2：表S2）。第一个轴捕捉了总变异的35.4%。根直径（RD）和阳离子（钾、镁和锰，K、Mg、Mn）含量在PC1上呈正载荷，而特定根长（SRL）、根表面积比（SRSA）、根表面积比（RBI）和PME在PC1上呈负载荷，反映了物种的土壤探索能力梯度。第二个轴捕捉了总变异的17.1%。根中的氮（N）和磷（P）含量以及SRSA在PC2上呈正载荷，而RTD在PC2上呈负载荷，反映了养分利用策略的权衡。MCR与前两个PC轴没有显著相关性。pPCA在质量上与之相似，产生了与PCA几乎相同的性状变异轴（图2B；附录S2：表S3）。图2（在图查看器中打开）
（A）本研究中物种平均性状值的 principal坐标分析（PCA）和（B）系统发育PCA（pPCA）双坐标图。注意（B）中的点数（n=33）比（A）中的点数（n=42）少，因为在进行pPCA之前已经按森林类型汇总了物种的平均性状值。椭圆表示每个组在假设多变量t分布下的95%置信区间。百分比表示每个轴捕捉的总根性状变异比例。每个图侧面的密度图表示沿每个PC的丛枝菌根（AM）和外生菌根（EcM）物种的分布。PERMANOVA测试显示，在PCA（F1,40=22.3，p<0.001）和pPCA（F1,31=18.7，p<0.001）空间中，EcM物种的得分显著低于AM物种。详见图1以识别性状缩写。成对性状分析显示，土壤探索性状与其他养分获取策略（如菌根定殖和磷的利用）部分协调。在AM物种中，我们发现物种的根厚度与MCR无关（r2=0）。然而，在EcM物种中，RBI较大的物种更可能具有较高的MCR（r2=0.87，p=0.006），表明AM和EcM物种中的MCR受到不同的形态学特征的驱动。促进磷吸收的性状（SRSA）和磷的利用（PME活性）之间没有相互制约，因为SRSA较大的物种始终表现出较高的根PME活性（r2=0.43，p<0.001；附录S2：表S4），这一点在AM物种（r2=0.40，p<0.001；附录S2：表S5）和EcM物种（r2=0.76，p=0.02；附录S2：表S6）中均成立。在EcM物种中，MCR与PME有弱正相关（r2=0.69，p=0.04），但在AM物种中则没有这种相关性（r2=0，p=0.75）。此外，我们还发现了RTD与根养分性状之间的部分替代关系（H2）。物种的RTD与根中的氮（r2=0.22，p=0.007）和钙（r2=0.57，p<0.001）呈负相关，这与PCA中的养分利用梯度一致。然而，其他根养分与RTD之间的关系则较为复杂。例如，所有物种中根K含量与根长密度（RTD）呈正相关，但相关性较弱（r² = 0.19，p = 0.01），而与根密度（RD）的相关性更强（r² = 0.24，p = 0.004）。此外，RTD与根部养分之间的关系在不同类型的菌根中偶尔存在差异。例如，在丛枝菌根（AM）物种中，RTD与根Mg呈负相关（r² = 0.41，p < 0.001），而在外生菌根（EcM）物种中则呈正相关（r² = 0.75，p = 0.03），导致所有物种之间的相关性不显著（r² = 0.01，p = 0.59）。AM和EcM物种间的性状比较显示：
EcM物种在根性状空间的前两个维度上与AM物种有所不同（H3）（F1,40 = 6.96，p < 0.001）。EcM物种在PC1轴上的得分显著较低（F1,40 = 22.3，p < 0.001），表明其土壤探索长度（SRL）、根区面积（SRSA）和根P酶活性（RBI）以及土壤探索能力均优于AM物种。然而，EcM和AM物种在PC2轴上的养分利用策略没有显著差异（F1,40 = 0.06，p = 0.80）。同样，在pPCA分析中，EcM物种也与其他物种分开（F1,31 = 8.82，p < 0.001），主要是由于PC1轴上的差异（F1,31 = 18.7，p < 0.001），而不是PC2轴（F1,31 = 0.23，p = 0.63）。菌根类型的明显分化部分是由于AM物种在PCA（F1,40 = 13.0，p < 0.001）和pPCA空间（F1,31 = 9.71，p = 0.003）中的性状分散度更大。通过广义线性模型（LMMs）分析，我们观察到EcM和AM物种在性状表达上存在显著差异（H3；图3）。平均而言，EcM物种的根P酶活性是AM物种的2.5倍（F1,28 = 11.0，p = 0.002）。与AM物种相比，EcM物种的SRL也更高（F1,28 = 11.0，p = 0.002），但RD较低（F1,30 = 6.61，p = 0.02），低1.5倍。相反，AM物种的根平均含有更多的K（F1,28 = 13.8，p < 0.001）和Mg（F1,28 = 14.0，p < 0.001），以及Mn含量增加了4倍（told-growth(14) = 2.89，p = 0.01，tsecondary(17) = 3.81，p = 0.001）（图3）。其他根性状在不同菌根类型间没有显著差异。图3可在图查看器中打开。
不同菌根类型间六个根性状的平均根性状值存在显著差异。粗线和点代表每种菌根类型的平均值±标准误（SE）。在F图中，丛枝菌根（AM）物种在原始森林和次生森林中的根Mn含量显著高于外生菌根（EcM）物种，这一差异通过Welch's t检验不等方差方法得到验证（α = 0.05）。森林类型间的性状比较：
原始森林和次生森林物种在PCA根性状空间中的大量重叠表明森林类型间的性状分化较弱（H4；F1,40 = 0.68，p = 0.57）。在广食性树种中，只有根N含量在森林类型间存在显著差异，原始森林个体的根N含量明显高于次生森林（17.8 ± 0.5 mg g⁻¹ vs 15.6 ± 0.6 mg g⁻¹；附录S2：图S1）（F1,65 = 17.8，p < 0.001）。这种差异主要由两种物种引起：Campnosperma auriculatum和P. eurhyncha，后者的根N含量在原始森林中比在次生森林中高出约30%（24.3 mg g⁻¹ vs 18.2 mg g⁻¹）。在专食性树种中，原始森林专食性物种的根P酶活性是次生森林专食性物种的两倍（F1,21 = 6.71，p = 0.02）。相比之下，次生森林专食性物种的根Ca和P含量分别高出约50%（F1,22 = 4.45，p = 0.05；F1,22 = 15.7，p < 0.001）（图4）。图4可在图查看器中打开。
原始森林专食性物种表现出（A）更高的根磷酸单酯酶（PME）活性，以及（B）较低的根Ca和（C）P含量，与次生森林专食性物种相比。其他根性状在不同森林类型间没有显著差异。每个点和误差条代表每个物种的平均值±标准误，按性状值升序排列。实线水平线代表每种森林类型的平均性状值。
讨论：
通过纳入尚未充分研究的根性状，如PME、MCR和非氮养分，我们的研究扩展了RES框架，并为东南亚森林物种的磷获取策略和权衡提供了新的见解（图5）。根性状中的系统发育保守性，如RD、RBI和根养分含量，表明养分获取策略部分取决于进化历史（H1）。物种的根性状变异在一个由土壤体积探索能力梯度控制的根性状空间内组织起来，该梯度受根形态和化学性状的影响，同时也受RTD与根N和P之间负相关关系的影响（H2）。在这个性状空间内，不同的养分获取策略区分了AM和EcM树种（H3）。EcM树种投资于具有更大SRL和PME活性的根，以探索更大的土壤体积，从而利用磷酸盐（Po）形式，表明它们具有专门的磷酸盐利用生态位。相反，AM物种可能通过产生代谢活性更强、更厚的根来采用其他养分利用策略，这些根含有更高的养分含量。森林类型间性状表达的差异主要可以通过AM与EcM相关物种的比例来解释，这些物种具有对比明显的细根性状综合征（H4），而不是物种内的性状可塑性。总体而言，我们的结果揭示了AM和EcM物种在根性状策略上的明显差异，这对共存于东南亚热带森林中的生物地球化学循环具有重要意义（图5）。
本研究的概念图展示了关键发现（H2–H4）。本研究将一些未充分报道的性状添加到了根经济空间（RES）框架中（Bergmann等人，2020），包括：（1）根磷酸单酯酶（PME），它与土壤探索梯度上的高度探索性根系统呈正相关；（2）根P，它与根N在养分利用梯度上对齐（均用红色标记）；以及（3）根阳离子养分，它们与土壤探索梯度上的厚根相关（用红色标记）。与H2相反，菌根定殖率（MCR）并未在具有低土壤探索能力的厚根中增强（见Bergmann等人，2020），也没有与土壤探索梯度对齐（颜色变淡）。外生菌根（EcM）物种（蓝色椭圆）表现出独特的性状综合征，使它们与丛枝菌根（AM）物种（粉色椭圆）区分开来，在RES中形成了不同的菌根群落（H3）。最后，同一物种在不同森林类型中的性状表达是一致的，但主要是在专食性物种之间观察到差异。这表明森林类型间的性状差异是由物种更替造成的，而不是物种内的性状可塑性（H4；见图4）。有关性状缩写的说明见图1，菌根类型缩写的说明见图2。系统发育驱动了根性状的多样化和养分利用策略。
我们发现，根形态的系统发育结构与根和菌根共生体的共同进化有关（Brundrett，2002；Ma等人，2018）。我们的观察结果与先前的研究发现一致，即在进化上古老的科（如樟科（Lauraceae）中的植物具有厚根（Bergmann等人，2020；Valverde-Barrantes等人，2016, 2017），而在进化上较新的谱系中则具有更多样化的根性状（图1；Bergmann等人，2020）。令人惊讶的是，虽然控制MCR的根形态性状（AM物种中的RD，EcM物种中的RBI）是由系统发育决定的，但MCR本身却不是。相反，我们观察到许多根养分含量性状（N、P、K和Mn）存在系统发育结构，这可能是由于物种在养分稀缺的热带环境中进化而来。随着时间的推移，这种进化压力可能在共存的物种中产生了独特但系统发育上保守的生物地球化学生态位（Peñuelas等人，2019）。如果确实如此，我们的发现表明系统发育不仅影响了根形态，还影响了根N（Bergmann等人，2020；Valverde-Barrantes等人，2017），这可能有助于揭示其他热带生态系统中未表征物种的养分获取策略。根性状变异的主要维度反映了功能性的磷获取权衡。
基于RES框架（Bergmann等人，2020），我们预计在厚根中会观察到更高的MCR，以便通过菌根关联获取养分，而具有高SRL的细根物种则会偏好“自己动手”的吸收策略（H2）。尽管在我们的研究中发现了MCR与其他性状之间的显著关系（附录S2：表S4），但总体上物种间的MCR平均值较低（<10%，附录S2：表S1），这使得菌根投资与其他养分获取策略之间的权衡变得模糊（Lugli等人，2019；Nasto等人，2017）。大多数根段中MCR的意外低水平表明，这些物种在养分获取方面并未得到菌根的支持。相对较少的研究证明MCR与SRL-RD权衡一致（例如，Bergmann等人，2020；Han等人，2022；Yaffar等人，2021），而最近的研究仅报告了弱相关性（Benavides-Tocarruncho等人，2024；Cordeiro等人，2024；Langguth等人，2024）。相反，AM（103 μ mol pNP h⁻¹ g⁻¹）和EcM物种（243 μ mol pNP h⁻¹；见附录S2：表S1）的整体高根P酶活性表明，物种主要通过利用磷酸盐池来满足P需求。SRSA和根P酶活性之间的协调可能使物种能够自主探索土壤，并同时利用有机磷池。类似于在其他热带森林社区进行的研究（Cabugao等人，2021；Han等人，2022；Ushio等人，2015），我们发现根P酶活性与SRL和SRSA呈正相关。这表明只有具有足够SRSA的细根物种才能通过根P酶有效利用周围的有机磷。相反，一些物种可能产生具有高SRSA的根，以便在酶解土壤有机质（SOM）后竞争释放的磷酸（Pi）（Kuzyakov & Xu，2013）。这些机制挑战了我们最初的预期，即SRSA和根P酶活性之间存在权衡，因为AM物种应该专门通过高SRSA获取Pi，而EcM物种则专门通过高根P酶获取Pi（H3）。相反，土壤探索能力和根酶策略相互补充，使得具有广泛细根系统的物种能够在P有限的情况下利用土壤中的磷酸盐和磷酸盐池。如果厚根物种既不与菌根强烈关联，也不增加P酶的产生，它们是如何在获取Pi方面保持竞争力的呢？我们推测，在厚吸收根中观察到的高K和Mg含量可能对低土壤探索能力的物种具有生理意义。在热带地区的养分施肥实验中，已经报告了添加阳离子对地下响应的积极效果（Lugli等人，2021；Manu等人，2024；Würzburger & Wright，2015），支持了阳离子养分在根功能中的作用。例如，K⁺可能在植物根中调节渗透梯度和细胞膜间的电势差，从而移动水和溶质（Sardans & Peñuelas，2021）。同时，Mg²⁺催化ATP水解（Chen等人，2018），促进植物代谢和稀缺养分的主动运输。由于通过哪些机制阳离子调节细根功能尚不完全清楚，我们强调了未来研究需要包括这些阳离子养分的重要性，因为它们可能对根功能至关重要。RTD与根养分含量之间的负相关表明，长寿命且高RTD的根与代谢活跃、养分丰富的根之间存在权衡（H2；Reich，2014）。沿着养分利用梯度（PC2），具有丰富N且代谢活跃的根系统也含有较高的P浓度，可能表明它们具有更强的P吸收能力（Reich，2014；Reich等人，2008）。大多数关于根性状的研究主要集中在根N上，这可能是由于高纬度生态系统中的N限制（例如，Kong等人，2014；Wang等人，2018）。然而，我们的研究表明，养分利用策略的权衡可能扩展到其他主要植物养分，如P，这与许多热带生态系统中的P限制相吻合（Cunha等人，2022；Du等人，2020）。总体而言，这些性状描述了从养分贫乏、密集的根到代谢活跃、养分丰富的根的各种根系统。
我们的发现清楚地表明，EcM物种采用的磷获取策略与AM物种显著不同（H3）。与AM物种的性状多样性相比，东南亚的EcM物种在多维性状空间中聚集在一起，表现出细根、高SRL、低根养分含量、低MCR（大多数物种<10%）以及异常高的根P酶活性，超过了巴拿马和波多黎各的新热带AM物种（10–80 μ mol pNP h⁻¹ g⁻¹，见Steidinger等人，2015；Yaffar等人，2021）。因此，东南亚的EcM物种可能具有独立于菌根定殖产生磷酸酶的能力，以利用磷酸盐形式。这种特定于生态-土壤-微生物（EcM）的根系能力在热带森林的生物地球化学反馈模型中往往没有被充分考虑（Cusack等人，2024年），这可能导致对碳-养分预测以及东南亚以EcM为主导的森林对二氧化碳增加的响应存在低估。然而，最近在模型参数化方面的进展已经明确考虑了根系功能特征，如根长密度（SRL）（Dantas de Paula等人，2025年）、菌根类型（Braghiere等人，2022年）和磷酸酶活性（Reichert等人，2023年）。因此，我们建议使用以EcM为主导的热带森林的数据来检验这些模型是否能够准确反映整体根系功能（Freschet等人，2021年），以及它们预测的植物响应是否与在AM（非菌根）热带森林中观察到的响应相符。同样，BTNR（枝维管束 networks）中的AM（非菌根）物种在根系特征表达上也与新热带地区的AM物种有显著差异。平均而言，我们研究中的AM物种表现出更高的根部PME活性（约100 μmol pNP h−1 g−1）、SRL（28.5 m g−1）和RBI（2.3个根尖 cm−1），以及更低的RD（0.41 mm）和RTD（0.36 g cm−3；见附录S2：表S1），相比之下，从亚马逊森林站点调查的218种新热带AM物种的数值分别为SRLave = 16.8 m g−1、RBIave = 1.8个根尖 cm−1、RDave = 0.53 mm、RTDave = 0.40 g cm−3（Weemstra等人，2023年）。这些差异可能反映了新热带和古热带群落之间的进化分歧（Jimenez等人，2025年），形成了针对土壤磷限制的不同适应机制。例如，新热带AM物种的更粗壮根系可能有利于与AM真菌的合作以外包磷的获取（Valverde-Barrantes等人，2016年），而来自东南亚热带森林的AM物种可能进化出了通过上调PME生产来获取土壤中磷的机制。然而，需要更多的数据来验证这些特征综合体是否可以推广到本研究之外的其他东南亚植物谱系。根系特征策略具有物种特异性，导致不同森林类型之间的细根特征表达存在差异（H4）。森林广布种在各种森林类型中表现出一致的特征表达，表明细根特征的任何差异是由物种更替而非同种内根系特征的塑性造成的。具体来说，原始森林中较低的磷有效性和大量有机质（SOM）可能促进了从有机物中获取磷的策略。相比之下，次生林过去的农业利用（Corlett，1988年）可能人为地增强了土壤养分的可利用性，选出了生长迅速、根系养分含量高且养分需求大的次生林特化物种。尽管如此，我们提醒需要注意的是，BTNR中不同森林类型之间的根系特征差异可能不适用于东南亚其他受到干扰的森林，因为这些差异很大程度上取决于每个地点的演替轨迹和物种组成。相反，最强的、最一致的根系特征差异发生在AM和EcM物种之间。最终，这表明菌根类型而非森林类型是决定地下磷获取策略的主要因素（Phillips等人，2013年），应在生物地球化学模型中给予优先考虑。总之，我们的研究揭示了区分热带AM和非菌根关联物种的独特特征综合体，以及高根部PME活性的普遍趋势，尤其是在EcM物种中，这使得东南亚热带森林与其他温带群落区别开来。此外，通过整合诸如根部PME活性和MCR（多次根系扩展）等尚未充分研究的特征，我们的研究阐明了在RES（根系生态系统中）所代表的核心根系特征如何与物种的多重养分获取策略（如菌根定殖和根系酶活性）相互作用。许多这些特征和策略仍然研究不足，尚未被纳入基于特征的生物地球化学模型中。因此，我们倡导需要扩大对热带地区各种根系特征的监测范围，以确定磷获取策略和热带群落间权衡的普遍性。
作者贡献：
Ming Yang Lee和Kelly M. Andersen提出了研究思路并设计了研究方案。Ming Yang Lee、Qian Yi Ho和Wesley Goh参与了野外工作和样本收集。Ming Yang Lee和Qian Yi Ho参与了实验室中的样本处理和分析。Ming Yang Lee、Wesley Goh和Dana Yam参与了菌根定殖样本的制备和分析。Ming Yang Lee和Kelly M. Andersen分析了数据集并参与了手稿的撰写。所有作者均批准了手稿的最终版本。
致谢：
本研究得到了新加坡教育部（MOE Grant RG122/19）对Kelly M. Andersen的支持。作者感谢国家公园委员会允许在武吉蒂马自然保护区（许可证号码NP-RP19-087）进行这项研究。
利益冲突声明：
作者声明没有利益冲突。
数据可用性声明：
数据（Lee & Andersen, 2025）可在Zenodo上获取：https://zenodo.org/records/17714780。
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