We denken meestal aan planten die hun beste dingen boven de grond laten zien:opzichtige bloemen, geurige bloesems en unieke vormen in overvloed. Maar hun ontwikkeling onder de grond is even magisch.

"Gedurende de laatste 400 miljoen jaar, sinds planten het land koloniseerden, waren wortels de ware motor van de terrestrische nutriëntenkringloop", verbaast SFI Omidyar Fellow Mingzhen Lu, de hoofdauteur van een nieuwe studie gepubliceerd in Proceedings of the National Academy of Wetenschappen . "Wortels zijn de basis van biodiversiteit."

In de studie, Lu en zijn team van internationale medewerkers, waaronder de gewaardeerde wetenschappers William Bond (Universiteit van Kaapstad) en Lars Hedin (Princeton University), hebben diep gegraven om een ​​van de meest buitengewone wortelstelsels ter wereld beter te begrijpen.

De onderzoekers voerden een vier jaar durend gemanipuleerd experiment uit om de grimmige kloof tussen de Fynbos- en Afrotemperate Forest-biomen in de West-Kaap van Zuid-Afrika te verkennen. Fynbos, een struikachtig bioom met een enorme plantendiversiteit, grenst aan Afrotemperate Forest, een bos dat wordt gedomineerd door een klein aantal boomsoorten. De ongebruikelijke bioomgrens is zo smal dat je binnen een paar stappen van een heet, open struikgewas in de koele, bemoste schaduw van het bos komt.

De scherpe afbakening wordt nog duidelijker gemaakt omdat de twee biomen een onderliggende geologie delen en onderhevig zijn aan dezelfde klimaatpatronen - ze bestaan ​​​​als alternatieve stabiele toestanden. Bij extreme verstoring kunnen de biomen mogelijk verschuiven om de naburige plantengemeenschappen te weerspiegelen.

"Sommige systemen kunnen in verschillende staten bestaan, zoals water en ijs", legt Hedin uit. "Dit maakt ze vooral interessant als modellen voor dramatische verandering, omdat ze van de ene staat naar de andere kunnen overschakelen, wat vooral dringend is in een wereld die wordt gestrest door klimaatverandering."

Tegen deze achtergrond bracht het onderzoek twee belangrijke bevindingen aan het licht. Ten eerste vertoonden Fynbos- en Afro-gematigde bossen duidelijke verschillen in hun wortelkenmerken. Ten tweede stellen deze wortelverschillen de plantengemeenschap van Fynbos in staat bomen af ​​te schrikken door de ondergrondse beschikbaarheid van voedingsstoffen te beperken. Specifiek, Fynbos plant invasies af met de dunste wortels die ooit zijn geïdentificeerd.

"We ontdekten dat deze wortels in alle ecosystemen van de wereld de dunste van allemaal zijn", zegt Lu. "Voor elke 1 gram koolstof - het gewicht van een paperclip - produceren deze planten wortels van 15 voetbalvelden lang."

Door de draderige wortels kunnen Fynbos-soorten de dikkere planten overtreffen in voedselarme gronden.

"De dunne wortels van Fynbos zijn het ondergrondse wapen dat ellendige omstandigheden creëert voor bosplanten die voedsel nodig hebben", zegt Bond. "We zien nu dat het niet de intrinsieke bodemeigenschappen zijn, maar de terugkoppelingen van planten naar de bodem, die ellende veroorzaken voor jonge boompjes."

Het Fynbos-bioom, zoals de auteurs het beschrijven, vormt een combinatie van de 'voedingsproblemen' en is vatbaar voor frequente, hete branden die de opgehoopte voedingsstoffen in de bodem verbranden. De ondergrondse strategie voor het oppotten van voedingsstoffen, gecombineerd met een collectieve aanpassing aan het vuur, stelt de Fynbos-plantengemeenschap in staat om haar eigen persistentie te bevorderen door haar omgeving aan te passen. Aan de andere kant van de bioom-scheiding doet het bos hetzelfde.

De bevindingen suggereren dat alternatieve stabiele toestanden kunnen worden gehandhaafd door middel van biotische mechanismen, zoals wortelkenmerken, naast de algemeen begrepen abiotische factoren zoals het klimaat. Dit inzicht is van cruciaal belang voor het behoud van bedreigde ecosystemen over de hele wereld.

"Het is diepgaand om te zien hoe plantkenmerken op microschaal, zoals worteldikte, worden gekoppeld aan opkomende ecosysteempatronen op macroschaal", zegt Lu.

"Wie had gedacht dat het de wortels waren die deze bi-stabiliteit helpen verklaren?" vraagt ​​Hedin. "Het verbaast me."