Vi tänker vanligtvis på växter som strular med sina bästa saker ovan jord:pråliga blommor, doftande blommor och unika former finns i överflöd. Men deras utveckling under jord är lika magisk.

"Under de senaste 400 miljoner åren, sedan växter koloniserade land, har rötter varit den verkliga motorn för jordbunden näringscykel", förundras SFI Omidyar Fellow Mingzhen Lu, huvudförfattare till en ny studie publicerad i Proceedings of the National Academy of Vetenskaper . "Rötter är grunden för biologisk mångfald."

I studien, Lu och hans team av internationella medarbetare, som inkluderade de uppskattade forskarna William Bond (University of Cape Town) och Lars Hedin (Princeton University), grävde djupt för att bättre förstå ett av de mest extraordinära rotsystemen i världen.

Forskarna genomförde ett fyraårigt manipulerat experiment för att utforska den skarpa klyftan mellan biomen Fynbos och Afrotemperate Forest i Sydafrikas västra udde. Fynbos, en buskig biom med enorm växtdiversitet, gränsar till Afrotemperate Forest, en skog som domineras av ett litet antal trädarter. Den ovanliga biomgränsen är så smal att man inom några få steg passerar från ett varmt, öppet buskage till skogens svala, mossiga skugga.

Den skarpa avgränsningen görs ännu mer distinkt eftersom de två biomen delar en underliggande geologi och är föremål för samma klimatmönster - de existerar som alternativa stabila tillstånd. Inför extrema störningar kan biomen potentiellt förändras för att återspegla de närliggande växtsamhällena.

"Vissa system kan existera i olika tillstånd - som vatten och is", förklarar Hedin. "Detta gör dem särskilt intressanta som modeller för dramatiska förändringar eftersom de kan byta från ett tillstånd till ett annat, vilket är särskilt angeläget i en värld som är stressad av klimatförändringar."

Under denna bakgrund avslöjade studien två signifikanta fynd. För det första uppvisade fynbos- och afrotempererade skogar markanta skillnader i sina rotegenskaper. För det andra tillåter dessa rotskillnader det fynboska växtsamhället att avskräcka träd genom att begränsa tillgången på näringsämnen under jord. Specifikt avvisar fynbosväxter invasion med de tunnaste rötterna som någonsin identifierats.

"Vi fann att över hela världens ekosystem är dessa rötter de tunnaste av alla", säger Lu. "För varje gram kol - vikten av ett gem - producerar dessa växter rötter som är 15 fotbollsplaner långa."

De trådiga rötterna gör att fynboarter kan konkurrera ut tjockare rotade växter i näringsfattiga jordar.

"Fynbos tunna rötter är det underjordiska vapnet som skapar eländiga förhållanden för näringskrävande skogsväxter", säger Bond. "Vi ser nu att det inte är markens inneboende egenskaper, utan växtåterkopplingar till marken, som skapar elände för skogsplantorna."

Fynbosbiomet, som förenar "näringseländet", som författarna beskriver det, är benäget att ofta, heta bränder som förbränner ackumulerade näringsämnen i jorden. Den underjordiska strategin för att samla näringsämnen i kombination med en kollektiv brandanpassning gör att fynbos växtsamhälle kan gynna sin egen uthållighet genom att modifiera sin miljö. På andra sidan biomklyftan gör skogen samma sak.

Resultaten tyder på att alternativa stabila tillstånd kan upprätthållas genom biotiska mekanismer, såsom rotegenskaper, förutom de allmänt uppfattade abiotiska faktorerna som klimat. Denna insikt är avgörande för att bevara hotade ekosystem runt om i världen.

"Det är djupgående att se mikroskaliga växtegenskaper, som rottjocklek, kopplade till makroskaliga framväxande ekosystemmönster", säger Lu.

"Vem skulle ha trott att det var rötterna som hjälper till att förklara denna bistabilitet?" frågar Hedin. "Det blåser mig."