Jak dostupnost živin ovlivňuje primární produkci v ekosystémech?

Myšlenka této studie začala s vášnivou diskusí 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 složení biomasy a tím i 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, rostliny reagovaly zvýšením biomasy na přídavek N a ne na přídavek P, protože byly limitovány N. Mikroorganismy ale 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 stechiometrické 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, 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 složení biomasy a tím i různé nároky na N a P. Tímto způsobem jsou zřídka omezeny stejnou živinou, která je prospěšná pro oba.

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 se soutěží, je možné předpovědět, kdy se hnojení N nebo P zvýší nebo snížit růst rostlin. Když hnojení podporuje půdní mikroorganismy, mohou být dva scénáře v závislosti na typu vztahu mezi rostlinami a mikroby: (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 studiích. Údaje z těchto studií plně podpořily naše předpoklady.

Původní úzce zaměřená diskuze o limitních faktorech v arktických tundrových ekosystémech tak vedla k tomu, že se podařilo vymezit obecné principy toho, jak je limitace rostlin živinami formována typem interakce rostlina-mikrob. 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.