Jak dostupnost živin ovlivňuje primární produkci v ekosystémech?

Na počátku této studie byla vášnivá diskuse o významu nedostatku fosforu (P) pro růst rostlin a rozvoj mikroorganismů v půdách arktické tundry. Většina dostupných výsledků naznačovala, že v půdách Arktidy hraje obecně významnou roli spíše limitace dusíkem (N) než fosforem. Petr Čapek se svou školitelkou Hanou Šantrůčkovou si ale uvědomili, že dostupné studie jsou zaměřené na reakci rostlin a tu nelze jednoduše zobecnit i pro půdní mikroorganismy, které mají jiné nároky na živiny než rostliny. Data z literatury to jednoznačně potvrdila. Rostliny vyžadují v porovnání s mikroorganismy relativně více N než P. A protože platí Liebigův zákon minima, podle kterého jsou rostliny životně závislé na tom prvku, který je v jejich životním prostředí obsažen nejméně, rostliny reagovaly zvýšením biomasy na přídavek N a ne na přídavek P, protože byly limitovány N. Mikroorganismy ale přitom mohly být limitovány P. 

Tím byla otázka sporu vysvětlena, ale jak to ve výzkumu bývá, přinesla další otázku: Mohou rozdílné nároky rostlin a mikroorganismů na živiny vysvětlit to, jak který ekosystém bude reagovat na přídavek živin? Pokud by rostliny a půdní mikroorganismy měly stejné nároky na N a P, měly by být kdykoliv omezeny stejnou živinou (pokud neuvažujeme limitace jinými faktory prostředí). Tím by si rostliny a mikroorganismy konkurovaly o stejnou živinu, což by je oba znevýhodňovalo. Jak ale předběžná studie ukázala, rostliny a mikroorganismy stejnou živinou omezeny nejsou a - navíc - často spolupracují prostřednictvím symbiózy. Když rostliny jsou limitované N a jejich symbionti P, pak symbionti zásobují rostlinu N, který nepotřebují, protože jejich růst je omezen P. Pro rostliny, mikroorganismy i fungování celého ekosystému je proto výhodné, že rostliny a mikroorganizmy mají různé nároky na N a P. Jen zřídka jsou omezeny stejnou živinou, kterou by potřebovaly jak rostliny, tak mikroorganismy. 

A tomto bodě jsme mohli formulovat hypotézu, která se stala podkladem pro mezinárodní výzkum: V závislosti na tom, který organismus je omezen N nebo P a zda rostliny a mikroorganismy spolupracují (symbióza) nebo jestli soutěží, je možné předpovědět, kdy se hnojení N nebo P zvýší nebo snížit růst rostlin. Když hnojení podporuje půdní mikroorganismy, mohou fungovat dva scénáře v závislosti na typu vztahu mezi rostlinami a mikroby: buď (i) mikroorganismy v půdě konkurují rostlinám a omezují jejich růst, nebo (ii) spolupracují s rostlinami a podporují jejich růst. 

Dalším úkolem bylo formulovat model a najít jednoznačné experimentální důkazy, které by hypotézu testovaly. Navzdory velkému počtu publikovaných výsledků byly údaje, které charakterizují vliv hnojení nejen na rostliny, ale i mikroorganismy částečně dostupné pouze v 51 vědeckých studiích z dřívější doby. Údaje z těchto studií plně podpořily naše předpoklady. 

Původní úzce zaměřená diskuze o limitních faktorech v arktických tundrových ekosystémech nakonec vedla k vymezení obecných principů toho, jak je limitace rostlin živinami formována typem vztahu mezi rostlinami a mikroorganismy. Během výzkumu se také ukázalo, jak mnoho studií zaměřených na výživu rostlin zanedbává půdu, navzdory jejímu významu pro pochopení rozvoje rostlinného krytu.

Čapek, P., Manzoni, S., Kaštovská, E., Wild, B., Diáková, K., Bárta, J., Schnecker, J., Biasi, C., Martikainen, P. J., Alves, R. J. E., Guggenberger, G., Gentsch, N., Hugelius, G., Palmtag, J., Mikutta, R., Shibistova, O., Urich, T., Schleper, C., Richer, A., Šantrůčková, H. 2018. A plant–microbe interaction framework explaining nutrient effects on primary production. Nature Ecology & Evolution online 10. 9. 2018.

Kontakt: Prof. Ing. Hana Šantrůčková, CSc. (hana.santruckova at prf.jcu.cz), RNDr. Petr Čapek, Ph.D. (petr.capek at pnnl.gov)


O přírodovědě.cz

Edukačně-popularizační portál Přírodovědecké fakulty Jihočeské univerzity v Českých Budějovicích určený pro středoškoláky, jejich vyučující, ale i veřejnost. Představujeme zde naše aktivity, výzkumy a objevy.