功能-结构植物根系模型中表型可塑性的模拟进化研究

为解决植物根系在异质土壤环境中适应性进化机制不明确的问题，Michael Renton团队开发了新型功能-结构植物模型(FSPM)，结合进化算法模拟了不同水分条件下根系架构与可塑性的演化规律。研究发现土壤空间异质性和降雨频率显著驱动根系分枝可塑性(bp)的进化，证实了表型可塑性对水分获取的适应性价值，为理解植物生态进化策略提供了计算生物学框架。

　　

在干旱气候加剧的背景下，植物如何通过根系可塑性适应水分时空异质性成为关键科学问题。传统研究受限于根系观测技术，难以揭示可塑性的进化驱动力。西澳大利亚大学的研究团队通过计算生物学手段，构建了能模拟多级分枝根系的三维功能-结构植物模型(FSPM)，首次实现了从进化视角解析根系可塑性的适应性价值。

研究采用参数化建模方法，通过15个可进化性状参数控制根系拓扑结构；结合土壤水分动态模块模拟异质/均质土壤中水分扩散与吸收；利用进化算法(种群规模N=40)进行600代模拟，以地上生物量为适应度指标筛选最优策略。

模型验证与效率
模型成功再现了从密集型到扩散型的多种根系构型(图2)，单株139天模拟仅需5-100秒，支持大规模进化计算。多株竞争模拟(图3)显示模型具备群落研究潜力。

进化动力学
24组进化模拟均显示适应度持续提升(图4)。高频降雨环境适应度增速达4倍(125代)，显著快于低频环境(500代仅2倍)。异质土壤中种群内变异更显著，暗示可塑性进化优势。

可塑性进化规律
分枝可塑性参数(bp)在所有环境中持续增长(图5k)，表明分枝响应局部水分是普适策略；而生长可塑性(gp)先增后降，反映延长驻留时间比加速生长更有利。异质土壤中分枝角度(θ_br)和旋转角(θ_rot)分化显著(p<0.01)，优化了空间探索效率。

多维性状协同
多元分析(图6)揭示性状间复杂互作：基部区长度(l_basezone)与分枝频率(k_branch)负相关，地上分配参数(k_shoot1/2)协同调节生物量投资策略。

该研究开创性地将FSPM与进化算法结合，证实土壤水分异质性驱动根系分枝可塑性的必然性。模型框架可扩展至养分获取、种间竞争等场景，为作物抗旱育种和生态恢复提供理论工具。研究启示表型可塑性进化存在层级差异——分枝响应受强选择压力，而生长调节可能受制于权衡代价，这一发现为"可塑性成本"理论提供了计算证据。未来可通过引入可塑性代价模块、全球响应机制等深化进化预测。