植物根系可塑性生长的社会行为学：邻株身份对玉米和豌豆根系三维运动模式的调控机制

本研究通过三维运动追踪技术，首次定量揭示了植物根系在邻株存在时的动态响应机制。研究人员发现玉米(Zea mays)和豌豆(Pisum sativum)根系表现出显著的"探索行为"，且对同种(conspecific)邻株的趋聚性(aggregative behaviour)显著高于异种(heterospecific)。研究通过机器学习分析表明，社会生长条件下的根系表现出更复杂的曲率变化(curvature)和更快的向地性摆动(circumnutation)，为理解植物地下互作提供了新的行为学视角。

　　

在植物生态学领域，地下根系间的相互作用长期被视为资源竞争的被动结果。然而近年研究发现，植物可能通过主动调节根系生长来响应邻株存在，这种"社会行为"对理解植物共存机制至关重要。传统研究多聚焦静态的根系生物量分配，而对根系动态运动的三维(3D)特征及其时间调控机制知之甚少。意大利帕多瓦大学的研究团队在《AoB PLANTS》发表的研究，首次通过高精度三维运动追踪技术，揭示了玉米和豌豆根系如何根据邻株身份动态调整生长策略。

研究采用立体视觉系统(stereo cameras)以3分钟间隔记录水培条件下根尖运动，通过SPROUTS软件重建三维轨迹。机器学习方法(LR和SVM)用于区分个体生长(individual condition)与社会生长(social condition)的动力学特征，并开发算法定量分析趋聚(aggregative)、回避(avoidant)和中性(neutral)三种根系行为。

个体vs社会生长的动力学差异

通过支持向量机(SVM)和逻辑回归(LR)分析发现，社会生长条件下的根系表现出：更快的向地性摆动周期(period of main nutation缩短)、更复杂的曲率变化(总曲率变异TVC增加)以及更高的相对生长速率。这些动力学特征使分类准确率达89%，表明邻株存在显著改变根系运动模式。

邻株身份的行为调控

在包含37株玉米和20株豌豆的实验中，同种邻株引发显著更高的趋聚行为(15/22 vs 异种3/16，p=0.007)。特别值得注意的是，趋聚行为中根尖生长角度θ_g呈正态分布(Shapiro-Wilk检验p=0.908)，显示根系能以±1.2 cm的几何精度定向生长至邻株。

讨论与意义

该研究首次定量描述了根系运动的时空动力学特征如何响应社会信号。同种优先的趋聚行为可能反映亲缘选择机制，而加速的circumnutation或增强土壤探索效率。研究建立的3D运动分析框架为植物行为生态学提供了新工具，其发现对设计作物间作系统具有重要启示。未来研究可拓展至野生种及次生根系，进一步揭示植物地下社交网络的复杂性。