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Variation and evolution of C:N ratio among different organs enable plants to adapt to N-limited environments.
Global Change Biology ( IF 10.8 ) Pub Date : 2019-12-24 , DOI: 10.1111/gcb.14973 Jiahui Zhang 1, 2 , Nianpeng He 1, 2, 3 , Congcong Liu 1, 2 , Li Xu 1 , Zhi Chen 1 , Ying Li 4 , Ruomeng Wang 1, 2 , Guirui Yu 1, 2 , Wei Sun 3 , Chunwang Xiao 5 , Han Y H Chen 6, 7 , Peter B Reich 8, 9
Global Change Biology ( IF 10.8 ) Pub Date : 2019-12-24 , DOI: 10.1111/gcb.14973 Jiahui Zhang 1, 2 , Nianpeng He 1, 2, 3 , Congcong Liu 1, 2 , Li Xu 1 , Zhi Chen 1 , Ying Li 4 , Ruomeng Wang 1, 2 , Guirui Yu 1, 2 , Wei Sun 3 , Chunwang Xiao 5 , Han Y H Chen 6, 7 , Peter B Reich 8, 9
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Carbon (C) and nitrogen (N) are the primary elements involved in the growth and development of plants. The C:N ratio is an indicator of nitrogen use efficiency (NUE) and an input parameter for some ecological and ecosystem models. However, knowledge remains limited about the convergent or divergent variation in the C:N ratios among different plant organs (e.g., leaf, branch, trunk, and root) and how evolution and environment affect the coefficient shifts. Using systematic measurements of the leaf-branch-trunk-root of 2,139 species from tropical to cold-temperate forests, we comprehensively evaluated variation in C:N ratio in different organs in different taxa and forest types. The ratios showed convergence in the direction of change but divergence in the rate of change. Plants evolved toward lower C:N ratios in the leaf and branch, with N playing a more important role than C. The C:N ratio of plant organs (except for the leaf) was constrained by phylogeny, but not strongly. Both the change of C:N during evolution and its spatial variation (lower C:N ratio at midlatitudes) help develop the adaptive growth hypothesis. That is, plants with a higher C:N ratio promote NUE under strong N-limited conditions to ensure survival priority, whereas plants with a lower C:N ratio under less N-limited environments benefit growth priority. In nature, larger proportion of species with a high C:N ratio enabled communities to inhabit more N-limited conditions. Our results provide new insights on the evolution and drivers of C:N ratio among different plant organs, as well as provide a quantitative basis to optimize land surface process models.
中文翻译：
不同器官之间碳氮比的变化和演变使植物能够适应氮限制环境。
碳（C）和氮（N）是参与植物生长发育的主要元素。C:N 比是氮利用效率 (NUE) 的指标，也是某些生态和生态系统模型的输入参数。然而，关于不同植物器官（如叶、枝、树干和根）之间 C:N 比率的收敛或发散变化以及进化和环境如何影响系数变化的知识仍然有限。通过对从热带到寒温带森林的 2,139 个物种的叶-枝-树干-根的系统测量，我们综合评估了不同分类群和森林类型中不同器官的碳氮比变化。这些比率在变化方向上趋于一致，但在变化率上存在分歧。植物在叶子和树枝中朝着较低的 C:N 比率进化，N比C起着更重要的作用。植物器官（叶子除外）的C：N比受系统发育的限制，但并不强烈。C:N 在进化过程中的变化及其空间变化（中纬度较低的 C:N 比）有助于发展适应性生长假说。也就是说，具有较高 C:N 比率的植物在强 N 限制条件下促进 NUE 以确保优先生存，而具有较低 C:N 比率的植物在较少 N 限制环境下有利于生长优先。在自然界中，较大比例的 C:N 比高的物种使群落能够栖息在更多 N 受限的条件下。我们的研究结果为不同植物器官之间 C:N 比的演变和驱动因素提供了新的见解，并为优化陆面过程模型提供了定量基础。植物器官（叶片除外）的氮比受系统发育的限制，但并不强烈。C:N 在进化过程中的变化及其空间变化（中纬度较低的 C:N 比）有助于发展适应性生长假说。也就是说，具有较高 C:N 比率的植物在强 N 限制条件下促进 NUE 以确保优先生存，而具有较低 C:N 比率的植物在较少 N 限制环境下有利于生长优先。在自然界中，较大比例的 C:N 比高的物种使群落能够栖息在更多 N 受限的条件下。我们的研究结果为不同植物器官之间 C:N 比的演变和驱动因素提供了新的见解，并为优化陆面过程模型提供了定量基础。植物器官（叶片除外）的氮比受系统发育的限制，但并不强烈。C:N 在进化过程中的变化及其空间变化（中纬度较低的 C:N 比）有助于发展适应性生长假说。也就是说，具有较高 C:N 比率的植物在强 N 限制条件下促进 NUE 以确保优先生存，而具有较低 C:N 比率的植物在较少 N 限制环境下有利于生长优先。在自然界中，较大比例的 C:N 比高的物种使群落能够栖息在更多 N 受限的条件下。我们的研究结果为不同植物器官之间 C:N 比的演变和驱动因素提供了新的见解，并为优化陆面过程模型提供了定量基础。进化过程中的 N 及其空间变化（中纬度较低的 C:N 比）有助于发展适应性生长假说。也就是说，具有较高 C:N 比率的植物在强 N 限制条件下促进 NUE 以确保优先生存，而具有较低 C:N 比率的植物在较少 N 限制环境下有利于生长优先。在自然界中，较大比例的 C:N 比高的物种使群落能够栖息在更多 N 受限的条件下。我们的研究结果为不同植物器官之间 C:N 比的演变和驱动因素提供了新的见解，并为优化陆面过程模型提供了定量基础。进化过程中的 N 及其空间变化（中纬度较低的 C:N 比）有助于发展适应性生长假说。也就是说，具有较高 C:N 比率的植物在强 N 限制条件下促进 NUE 以确保优先生存，而具有较低 C:N 比率的植物在较少 N 限制环境下有利于生长优先。在自然界中，较大比例的 C:N 比高的物种使群落能够栖息在更多 N 受限的条件下。我们的研究结果为不同植物器官之间 C:N 比的演变和驱动因素提供了新的见解，并为优化陆面过程模型提供了定量基础。N 比率在强 N 限制条件下促进 NUE 以确保优先生存，而在较少 N 限制环境下具有较低 C:N 比率的植物有利于生长优先。在自然界中，较大比例的 C:N 比高的物种使群落能够栖息在更多 N 受限的条件下。我们的研究结果为不同植物器官之间 C:N 比的演变和驱动因素提供了新的见解，并为优化陆面过程模型提供了定量基础。N 比率在强 N 限制条件下促进 NUE 以确保优先生存，而在较少 N 限制环境下具有较低 C:N 比率的植物有利于生长优先。在自然界中，较大比例的 C:N 比高的物种使群落能够栖息在更多 N 受限的条件下。我们的研究结果为不同植物器官之间 C:N 比的演变和驱动因素提供了新的见解，并为优化陆面过程模型提供了定量基础。
更新日期：2020-01-24
中文翻译：
不同器官之间碳氮比的变化和演变使植物能够适应氮限制环境。
碳（C）和氮（N）是参与植物生长发育的主要元素。C:N 比是氮利用效率 (NUE) 的指标，也是某些生态和生态系统模型的输入参数。然而，关于不同植物器官（如叶、枝、树干和根）之间 C:N 比率的收敛或发散变化以及进化和环境如何影响系数变化的知识仍然有限。通过对从热带到寒温带森林的 2,139 个物种的叶-枝-树干-根的系统测量，我们综合评估了不同分类群和森林类型中不同器官的碳氮比变化。这些比率在变化方向上趋于一致，但在变化率上存在分歧。植物在叶子和树枝中朝着较低的 C:N 比率进化，N比C起着更重要的作用。植物器官（叶子除外）的C：N比受系统发育的限制，但并不强烈。C:N 在进化过程中的变化及其空间变化（中纬度较低的 C:N 比）有助于发展适应性生长假说。也就是说，具有较高 C:N 比率的植物在强 N 限制条件下促进 NUE 以确保优先生存，而具有较低 C:N 比率的植物在较少 N 限制环境下有利于生长优先。在自然界中，较大比例的 C:N 比高的物种使群落能够栖息在更多 N 受限的条件下。我们的研究结果为不同植物器官之间 C:N 比的演变和驱动因素提供了新的见解，并为优化陆面过程模型提供了定量基础。植物器官（叶片除外）的氮比受系统发育的限制，但并不强烈。C:N 在进化过程中的变化及其空间变化（中纬度较低的 C:N 比）有助于发展适应性生长假说。也就是说，具有较高 C:N 比率的植物在强 N 限制条件下促进 NUE 以确保优先生存，而具有较低 C:N 比率的植物在较少 N 限制环境下有利于生长优先。在自然界中，较大比例的 C:N 比高的物种使群落能够栖息在更多 N 受限的条件下。我们的研究结果为不同植物器官之间 C:N 比的演变和驱动因素提供了新的见解，并为优化陆面过程模型提供了定量基础。植物器官（叶片除外）的氮比受系统发育的限制，但并不强烈。C:N 在进化过程中的变化及其空间变化（中纬度较低的 C:N 比）有助于发展适应性生长假说。也就是说，具有较高 C:N 比率的植物在强 N 限制条件下促进 NUE 以确保优先生存，而具有较低 C:N 比率的植物在较少 N 限制环境下有利于生长优先。在自然界中，较大比例的 C:N 比高的物种使群落能够栖息在更多 N 受限的条件下。我们的研究结果为不同植物器官之间 C:N 比的演变和驱动因素提供了新的见解，并为优化陆面过程模型提供了定量基础。进化过程中的 N 及其空间变化（中纬度较低的 C:N 比）有助于发展适应性生长假说。也就是说，具有较高 C:N 比率的植物在强 N 限制条件下促进 NUE 以确保优先生存，而具有较低 C:N 比率的植物在较少 N 限制环境下有利于生长优先。在自然界中，较大比例的 C:N 比高的物种使群落能够栖息在更多 N 受限的条件下。我们的研究结果为不同植物器官之间 C:N 比的演变和驱动因素提供了新的见解，并为优化陆面过程模型提供了定量基础。进化过程中的 N 及其空间变化（中纬度较低的 C:N 比）有助于发展适应性生长假说。也就是说，具有较高 C:N 比率的植物在强 N 限制条件下促进 NUE 以确保优先生存，而具有较低 C:N 比率的植物在较少 N 限制环境下有利于生长优先。在自然界中，较大比例的 C:N 比高的物种使群落能够栖息在更多 N 受限的条件下。我们的研究结果为不同植物器官之间 C:N 比的演变和驱动因素提供了新的见解，并为优化陆面过程模型提供了定量基础。N 比率在强 N 限制条件下促进 NUE 以确保优先生存，而在较少 N 限制环境下具有较低 C:N 比率的植物有利于生长优先。在自然界中，较大比例的 C:N 比高的物种使群落能够栖息在更多 N 受限的条件下。我们的研究结果为不同植物器官之间 C:N 比的演变和驱动因素提供了新的见解，并为优化陆面过程模型提供了定量基础。N 比率在强 N 限制条件下促进 NUE 以确保优先生存，而在较少 N 限制环境下具有较低 C:N 比率的植物有利于生长优先。在自然界中，较大比例的 C:N 比高的物种使群落能够栖息在更多 N 受限的条件下。我们的研究结果为不同植物器官之间 C:N 比的演变和驱动因素提供了新的见解，并为优化陆面过程模型提供了定量基础。
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