植物生长好坏,“殖民”根菌也有决定权——研究者警示气候变化威胁隐藏真菌网,或使森林变脆弱
作者:冯丽妃
发布时间:2020-08-27
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植物生长好坏,“殖民”根菌也有决定权——研究者警示气候变化威胁隐藏真菌网,或使森林变脆弱

 在电子显微照片中,菌根真菌(亮灰色)穿透根细胞,真菌在那里提供水和营养来交换碳。

图片来源:Science Source

未来,世界植物群对地下群落的依赖可能会像地上群落一样多,甚至更多。在90%的植物下面,存在着一个看不见的支持系统——地下的真菌伙伴,形成了连接植物的丝状网络,并将营养和水带到其根部。作为回报,植物为真菌提供稳定的碳供应。现在,研究人员发现,这些隐藏的伙伴可以影响生态系统对气候变化的反应。

根据8月初美国生态学会在线年会上的一项研究报告,适宜的真菌伙伴可帮助植物在更温暖、干燥的环境生存。会上其他研究表明,气候变化也会破坏这些“菌根真菌”,从而加速其宿主植物的死亡。德国柏林自由大学的生态学家Matthias Rillig说:“情况越来越清楚,我们不能忽视菌根真菌对气候变化的反应。”

这些真菌有两种形式。丛枝菌根(AM)在热带和一些温带森林以及田野和草地中很常见,它侵入根细胞并将称为菌丝的细毛延伸到土壤中。相比之下,外生菌根(EM)真菌与针叶树、橡树、山核桃、桤木和山毛榉有关。它们生长在根系的外面,其菌丝网络会形成蘑菇,突然在潮湿的森林地面上冒出来。

这两种类型都能吸收磷和其他营养物质,从腐烂的有机物中吸收氮,并有助于在土壤中储存碳。“因为它们对植物生产力的重要性,菌根群落可以说是陆地生态系统中最重要的共生体。”美国明尼苏达大学的土壤生态学家Christopher Fernandez说。

但气候变化可能会改变这些联系。Fernandez的研究是B4WARMED(交错带上处于危险中的北方变暖森林)项目的一部分,该项目旨在监测气候变暖和干燥对横跨北纬地区的北方森林的影响。该研究还人为地使森林变暖和变干,Fernandez通过对土壤和根系样本进行测序,模拟了气候变化对隐藏的真菌的影响。

Fernandez在会上报告说,随着环境变得更加温暖和干燥,EM真菌的多样性下降,“杂草”EM真菌将取而代之。这些“杂草”不会投入大量的精力建立广泛的地下网络,导致它们的连接中断。如果随着气候变化同样的破坏发生,与真菌建立关键的伙伴关系将会更少,这可能会剥夺树木的营养。

“B4WARMED的结果表明,未来地面和地下群落都可能发生一些重大变化。”新西兰坎特伯雷大学的生态学家Sarah Sapsford说,“我们现在看到的,以后可能再也看不到了。”

另一个不同的生态系统——美国西南部的松树林——表明,菌根的现有变异也会影响树木的复原能力。几十年前,一场飞蛾的肆虐使生长在亚利桑那州日落火山口国家纪念碑附近的一些松果发育不良。受创严重的树木与它们较高的邻居有不同的EM真菌,表明这两种树木可能在基因上有所不同。

2002年和2003年,当一场大风暴袭击该地区时,高树死亡的数量是前者的两倍。为了观察菌根是否会产生影响,北亚利桑那大学弗拉格斯塔夫分校的生态学家Catherine Gehring和同事在温室中以不同的浇灌方式,从带有和不带有真菌的两种植物中培育了幼苗。

Gehring和同事正与当地研究人员一起在离日落陨石坑不远的纳瓦霍民族重新种植松树,应用学到的知识。树木之间的遗传差异似乎决定了两组EM真菌中的哪一组会在它们身上“殖民”,研究小组小心翼翼地种植具有正确基因型的幼苗,以吸引抗旱真菌。Gehring说,这“在干旱时期可能意味着生与死的区别”。

第三项研究表明,菌根不仅可以影响树木,还会影响整个生态系统对环境变化的反应。由于AM和EM真菌与不同的树种有关,瑞士苏黎世联邦理工学院的生态学家Colin Averill想知道,真菌本身是否有助于确定在一个特定地区生长的是哪种森林。

早期的研究人员对此持怀疑态度,Averill和同事从美国林务局的大量数据中寻找证据,这些数据记录了美国东部6965片森林中每棵比树苗大的树的物种、生长和死亡情况。他们发现,许多地块要么以AM相关的树种占主导地位,要么以EM相关的树种占主导地位;两者兼而有之比较少见。

统计分析发现,真菌是造成这一严重分裂的关键。研究人员发现了一个可能的原因:占主导地位的菌根可以帮助森林保持稳定状态。每5年对每个地块的树木进行测量,结果显示AM树在AM森林中生根的可能性是EM森林的至少10倍,存活的可能性是EM森林的两倍。与此同时,EM树在EM森林中更容易茁壮成长。

真菌可以通过改变土壤以使其有利于特定物种的方式来加强其垄断地位,例如控制土壤中的氮含量。一个更成熟的真菌网络也可以帮助小树忍受干扰光合作用的浓密阴影,或者帮助老树抵御干旱或疾病。“如果你是一个EM树,你可以接入一个EM网络,这可以帮助你生存。”Averill说。

这些真菌的控制可能会减缓森林对气候变化等外部压力的反应。Averill说,与AM有关联的树木在更热的温度下生存得更好,但是随着气候变暖,它们在EM主导的森林中生长的速度可能比预期的要慢。“当我们试图预测未来全球森林系统将如何变化时,这些类型的动态可能变得非常重要。”



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