碳是构成有机体的基本元素。植物如何储存、分配和利用碳以适应多变的自然环境，一直是植物学和生态学领域关注的核心问题之一。非结构性碳水化合物(NSC，主要包含可溶性糖、淀粉等不稳定、可被利用的碳源)，作为植物生命活动最直接的能量货币参与多种生理代谢功能，是植物响应和适应环境变化的重要缓冲剂，在调控植物生长和环境适应性方面发挥着重要作用。尽管如此，目前基于功能性状的植物资源策略研究框架却很少考虑NSC的重要功能，这极大地限制了植物生态适应机制的深入认识。叶经济学谱和根二维性状谱是近年来植物功能性状领域的重要发现，尤其是根二维性状谱已成为根系性状研究的主流范式。这些重要的发现为探究NSC与植物地上和地下资源获取策略的协调关系提供了绝佳的视角。然而，目前缺乏相关的野外试验研究，针对NSC与叶和根性状谱的关联差异及其环境驱动机制等科学问题的认识尚属空白。
基于此，中国科学院成都生物研究所尹华军研究员团队与河南农业大学孔德良教授合作，以青藏高原高寒森林代表性针叶树种为对象（图1），通过分析叶片和细根关键功能性状、非结构性碳水化合物含量及环境因子，基于目前广泛认知的叶经济谱和根系经济空间策略框架，系统探讨了NSC与植物地上-地下经济策略间的协调关系差异及其关键环境驱动因子。研究结果表明，叶片和根系存在差异化的NSC-经济策略协调关系（图2,3）。具体地，在地上，叶片NSC含量，尤其是可溶性糖的储存，与叶经济谱的资源保守端相对应，并主要受到气温与降雨所驱动，体现了植物生长速率与低温、干旱耐受性之间的权衡。而令人意外的是，在地下，根系NSC的变化独立于细根经济谱，而NSC中两个主要组分——糖和淀粉与根系觅食维度呈现相反的协调关系，并主要由降雨所驱动，即随着降雨量减少，根系觅食效率增加，同时倾向于储存更多的淀粉和较少的糖，这表明不同NSC组分在调控细根觅食功能的投资权衡。该研究首次将植物非结构性碳纳入植物地上和地下经济策略框架，系统揭示了NSC在塑造地上和地下多维经济学性状空间中的独特作用，对于科学认识植物响应和适应环境变化的生态策略提供了新的见解。
上述研究结果近期以“Contrasting coordination of non-structural carbohydrates with leaf and root economic strategies of alpine coniferous forests”为题发表在植物学领域国际著名期刊New Phytologist (2024)上。该论文第一作者为成都生物研究所特别研究助理张佩佩和郑州大学丁俊祥博士，通讯作者为尹华军研究员和河南农业大学孔德良教授。论文的合作者还包括美国西北太平洋国家实验室Nate G. McDowell研究员和成都生物所特别研究助理汪其同。本研究得到了国家自然科学基金项目、中科院“西部之光”交叉团队项目、四川省科技计划项目和西藏自治区科技计划等项目的联合资助。
本研究成果是团队近年来关注高寒针叶林植物功能性状及其资源获取策略以来（Journal of Ecology 2020, 2023；Functional Ecology, 2023），在该领域取得的又一重要研究进展。上述系列研究成果丰富和拓展了高寒针叶林多样化生态适应策略的理论认知，并为多变环境下高寒森林适应性机制的科学认识提供了新的见解。
图1 90个高寒针叶林采样点分布图
图2叶片和根系NSC与关键经济性状的相关性
图3地上/地下NSC存储与植物经济策略的协调关系