科研 | 兰大&中国21世纪议程管理中心:短期变暖增加了青藏高原寄主植物根相关真菌群落的差异(国人佳作)

2021
10/09

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微生态
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根相关真菌将土壤和根之间的资源通量联系起来,从而影响植物生长和生态系统功能。




编译:微科盟阿Z,编辑:微科盟汤貝、江舜尧。

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导读  
根相关真菌将土壤和根之间的资源通量联系起来,从而影响植物生长和生态系统功能。然而,目前全球变暖对这些真菌及其植物宿主特异性的影响,尤其是对青藏高原生态系统的影响尚不清楚。本研究通过盆栽实验研究了青藏高原14种寄主植物在经历两年增温后根相关真菌群落结构的变化。使用红外线加热器将土壤温度升至比环境温   度高2.0℃。随后   ,通过对真菌内转录间隔区(ITS)进行测序来研究内生和根际真菌群落。共鉴定出1564个OTUs,以子囊菌为主(82.71%)。   在常温和变暖环境下鉴定出了类似的根相关真菌多样性和群落组成。不同寄主植物的根相关真菌群落组成存在显著差异,这种差异在实验增温条件下得到增强。根氮浓度对于塑造根相关真菌群落的结构至关重要。虽然根相关真菌群落对短期气候变暖具有一定的适应性,但我们的研究强调,气候变暖可以诱导高寒草甸生态系统中根相关真菌群落具有更高的寄主特异性。  

 

论文ID


 

名:Short-term warming increases root-associated fungal community dissimilarities among host plant species on the Qinghai-Tibetan Plateau

短期变暖增加了青藏高原寄主植物根相关真菌群落的差异

期刊Plant and Soil

IF:4.192

发表时间:2021.7.16

通讯作者:贺金生&何霄嘉

通讯作者单位:兰州大学草地农业科技学院;中国21世纪议程管理中心


实验方法


该研究在位于中国青藏高原的海北高山草原生态系统研究站进行,以探索气候变暖对15种植物根相关真菌群落组成的影响。目标植物物种在样本点均为优势种,并且在系统发育上具有多样性。在增温和对照处理下,每种植物有6个重复。使用红外加热器悬挂在离地面1.2 m的地方来使顶部5 cm土层的土壤温度比环境温度   高2.0 ℃。   在2016年生长季节开始时,收集了包括根际土壤在内的整株植物样品。所有采集的植物物种都处于幼苗期,各植物物种大小尽可能均一。将幼苗种植在18.85 L的盆中,并使用从该地点收集的土壤和沙子混合物(2:1,v/v),每盆由一种植物和四株重复幼苗组成。经过两年的增温处理后,收获所有单株植物以测定烘干后的生物量并收集细根样品。测量关键植物性状,如比叶面积(SLA)、比根长(SRL)、根长   、根密度和根直径。将干根磨成细粉测定碳和氮浓度。细根样品在-20     下储存用于DNA提取。  


结果


1 分类学组成与行会分类
我们对147个根样本进行了分析,得到1564个真菌OTUs,分属10个门。在所有寄主植物物种中,与根相关的真菌群落主要是子囊菌群,平均读长占82.71%,其次是担子菌,平均读长占15.20%(图1a)。虽然只占总读长的1.09%,但我们也检测到202个球囊菌门OTUs。其余的OTUs 占总读长小于1%(图1a)。在属水平上,本研究共鉴定出309属;三个最丰富的属是Tetracladium(10.43%)、Ilyonectria(5.25%)和Cistella(5.03%)。总共有843/1564 OTUs被分配到不同的真菌功能类别。腐生菌是这些OTUs中最丰富的真菌功能群,占总读长的45.93%。被鉴定为植物病原菌、EcM真菌和AM真菌的分类群分别占总读长的20.73%、9.00%和1.09%(图1b)。
 

图1. 14种植物根相关真菌各门(a)和真菌功能群(b)的相对丰度(%,测序读长比例)

 
2 根相关真菌群落多样性模式
我们没有观察到变暖对不同植物物种根相关真菌丰度的显著影响(F  =  1.24,P = 0.29; 图2a)。变暖后,14种植物中只有一种(Potentilla fruticosa)表现出根相关真菌丰度显著降低(P = 0.02;图S2)。此外,Shannon-Wiener指数不受气候变暖的影响(F  =  0.96,P  =  0.34;图2b)。对于真菌的功能分类,增温对腐生真菌(F  =  0.92,P  =  0.36)、植物病原真菌(F = 0.007,P  =  0.93)、AM真菌(F  =  1.02,P  =  0.33)和EcM真菌(F  =  0.027,P  =  0.87)的丰度没有显著影响。
PERMANOVA和PCoA分析均表明,变暖对根相关真菌群落组成没有影响(PERMANOVA:F  =  0.84,R2  =  0.006,P  =  0.18;图3a)。在14种植物中,只有Melissilus ruthenicus由于气候变暖而表现出显著的变化(PERMANOVA:F  =  2.07,R2  =  0.21,P  =  0.03;表S2)。此外,腐生真菌、植物病原真菌、AM真菌和EcM真菌的群落组成在不同处理间均未发生显著变化(所有P  >  0.05)。
 

2. 对照和增温处理下14种植物根相关真菌丰度(a)和Shannon-Wiener指数(b)。误差棒代表平均值 ± SE。采用线性混合效应模型分析了不同处理间的显著性差异,分析表明不同处理间无显著差异(> 0.05)。


3. 基于不同处理(a)或不同寄主植物物种(b)下根相关真菌群落的Bray-Curtis相异矩阵的主坐标分析排序(PCoA)图。对于(a),空心圆代表对照处理,实心圆代表加温处理。对于(b),点代表每个植物物种的PCoA1和轴2的平均得分;误差棒代表PCoA分数的标准误差。

 
与增温相比,我们观察到寄主植物身份对根相关真菌丰度(F = 9.41,P < 0.001)和群落组成(PERMANOVA:F = 6.54,R2 =0.39,P < 0.001)的影响更大。根据变异划分,植物同一性也占变异的大部分(29.8%,图S3)。如PCoA图所示(图3b),系统发育距离较近的植物物种具有相对相似的根相关真菌群落。Mantel测试结果证实植物系统发育与根相关真菌组成显著相关(Mantelr  =  0.444,P  =  0.001;图4)。此外,腐生真菌(Mantelr = 0.367,P = 0.001)表现出最显著的宿主特异性,其次是植物病原真菌(Mantelr = 0.341,P = 0.001),而AM真菌(Mantelr  =  0.102,P  =  0.001)和EcM真菌(Mantelr = 0.090,P = 0.001)相似并且宿主特异性最低。
变暖显著增加了不同寄主植物在种间水平(图5b)而不是种内水平(图5a)之间根相关真菌的Bray-Curtis差异。在种间水平上比较真菌群落差异性与寄主植物系统发育距离的回归结果表明,增温处理的斜率显著高于对照(P  < 0.001;图S4)。在这种情况下,变暖增加了宿主植物物种间根相关真菌群落的β多样性。
 

4. 植物系统发育距离与根相关真菌Bray-Curtis相异性的关系。提供了线性模型(以红色实线表示)和相关系数。

 

5. 根相关真菌Bray-Curtis在植物种内水平(a)和植物种间水平(b)的不同处理之间的差异。误差棒代表平均值± SE在进行t检验后确定了两种处理之间的显著差异。显著性水平:ns,不显著;***P  <  0.001

 
3 根相关真菌与植物性状的关系
虽然变暖没有显著影响植物性状(所有P  >  0.05),根相关真菌丰度与地上部生物量呈正相关,但与根氮浓度呈负相关(图6)。多元线性回归分析表明,根氮浓度是与真菌丰度关系最为密切的变量(t  =  -2.90,P  =  0.004)。 Mantel 检验还表明,根氮浓度对根相关真菌群落的影响最大(mantelr  =  0.19,P  =  0.001;表1)。此外,根碳浓度对根相关真菌组成的形成也有重要影响(mantelr  =  0.14,P  =  0.001)。不同根系相关真菌营养类群的丰度与不同植物性状相关(表S3)。仅根氮浓度(t  =  -3.374,P  =  0.001)与腐生真菌的丰度有关。同时,根碳(t  =  2.431,P  =  0.016)、根直径(t  =  -2.582,P  =  0.011)、根长(t  =  2.477,P  =  0.015)、地上部生物量(t  =  3.275,P  =  0.001)与AM真菌的丰度有关。根碳(t  =  -2.925,P  =  0.004)、根长(t  =  2.033,P  = 0.044)和地上生物量(t  =  -2.192,P  =  0.03)与EcM真菌的丰度有关。但这些性状均与植物病原真菌的丰度无关(P  >  0.05)。此外,根氮浓度与腐生真菌、AM真菌和植物病原真菌的群落结构显著相关,而与EcM真菌的群落结构不相关(表S4)。
 

6. 14种植物根相关真菌丰度与植株性状的线性回归。利用不同寄主植物物种的平均数据测试回归关系。显著线性关系(P  <  0.05)用回归线表示。

 
表1. Mantel检验分析了根相关真菌群落组成与植物参数的关系。Bonferroni调整后的P值显著性阈值为0.005(0.05/10 =  0.005),并且显著相关性用粗体突出显示。


讨论


通过对14种寄主植物根相关真菌群落结构的研究,我们发现短期气候变暖不会影响根相关真菌多样性和群落组成,而根相关真菌多样性和群落组成受植物特性和根化学计量的强烈影响。另一方面,我们证明了短期气候变暖显著增加了不同寄主植物物种间根相关真菌群落组成的差异,这表明温度在植物-微生物相互作用预测框架内的潜在应用。
 
1 气候变暖轻微影响根相关真菌的丰度和群落组成
高山草原根相关真菌多样性较高。我们观察到1564个OTUs,平均真菌丰度(142)高于北极生态系统中的其他研究,类似于温带森林。这些结果揭示了青藏高原根相关真菌的丰富多样性。虽然在我们的研究中已经鉴定出各种与根相关的真菌,但是从植物根中提取的混合DNAs中分离真菌rDNA具有挑战性。靶向所有真核生物的通用引物(例如ITS3/ITS4)产生了高比例的植物序列,这在我们的研究中也是如此(图S5)。PCR引物缺乏更高的特异性可能会限制对根相关真菌多样性的整体评估。因此,强烈建议设计和优化更保守的引物以改进根样品中根相关真菌的检测。
与我们的预期相反,我们没有观察到变暖对根相关真菌丰度的显著影响,这也得到了其他研究的支持。气候变暖导致的根相关真菌丰度变化通常归因于碳分配到根系的变化。在我们的例子中,增温处理并没有增加根生物量或根:地上部生物量比。因此,较短的增温期或植物对增温的耐受性可能对根相关真菌多样性没有影响。尽管如此,鉴于根相关真菌的丰度与地上部生物量正相关,长期变暖预计会增加根相关真菌的丰度,因为全球变暖往往会增加寒冷生态系统中植物生物量的产生。相反,鉴于青藏高原高寒草原的土壤真菌对短期变暖反应不敏感,该区域可能具有固有的稳定丰富的根相关真菌。我们研究设计的局限性在于我们没有从土壤样本中鉴定真菌群落;因此,我们无法断定根相关真菌的稳定丰度是否与土壤真菌有关。因此,在未来的研究中,基于根和土壤DNA的组合方法将适用于测量真菌群落,尤其是在经历了长期变暖的地区。
温度升高对根相关真菌群落的影响是可变和复杂的,研究地点、调查温度范围和寄主植物之间的反应各不相同。在本研究中,即使在特定的真菌类群中,变暖对根相关真菌群落没有显著影响。以往的研究表明,与根系相关的真菌群落组成往往受到土壤和根系因素的影响。我们的研究结果也支持这一点,因为根相关真菌群落组成的变化与根氮和碳的浓度密切相关。然而,在我们的研究中,影响根相关真菌群落组成的植物性状都没有受到短暂的变暖期的影响。因此,寄主植物对气候变暖的响应可能达不到影响根系相关真菌群落组成的阈值。Delgado-Baquerizo等人报告称,全球土传病原体的相对丰度总体增加,但我们的研究并不支持这一点。在我们的研究中,植物病原菌的平均相对丰度(20.7%)高于该研究中鉴定的平均相对丰度(14.4%),并且优势植物病原菌属(IlyonectriaFusariumAscochytaCephalosporium)也与Delgado-Baquerizo等人的报道不一致(AlternariaFusariumVenturiaPhoma)。因此,由于假定的真菌病原菌比例较高且组成不同,短期变暖可能不会影响青藏高原特定根相关植物病原菌的相对丰度。
有趣的是,我们发现气候变暖降低了Potentilla fruticosa根相关真菌的丰度,并改变了Melissilus ruthenicus根相关真菌群落的组成。这些具体结果支持我们的第一个假设,即气候变暖对根相关真菌的影响取决于寄主植物种类。尽管如此,由于我们的研究仅检测了14种寄主植物,因此应进一步研究更多的植物物种,以得出气候变暖对青藏高原根相关真菌影响的共同结论。高寒草原植被的形态特征和组织养分存在显著差异,这可能导致根相关真菌对气候变暖的响应不同。然而,这种物种特异性反应的确切机制仍不清楚,并指出了需要进一步研究的领域。
 
2 气候变暖引起植物与根相关真菌之间的新相互作用
我们的研究结果支持寄主植物物种对根相关微生物产生重大影响,这在之前也有报道。根相关真菌群落的差异可能部分由于寄主植物的主动选择。例如,与具有纤维根系统的物种相比,具有粗而分枝较少的植物物种可能需要更多的菌根真菌来吸收营养。同样,McCormick等人报道,兰花种群和大多数异养菌群需要兰花菌根真菌的存在才能萌发和生长。本研究还发现根相关真菌群落的差异与寄主植物的系统发育距离有关,表明寄主系统发育是构建根相关真菌群落的重要因素。这一结果与Wehner等人和Koyama等人先前的研究结果一致,他们分别使用了25种和27种植物物种的数据。此外,我们的发现揭示了不同根相关真菌功能群的寄主特异性。这些结果进一步得到了先前基于北极高海拔地区海拔梯度的研究结果的支持,并提供了青藏高原上植物病原真菌比共生真菌更特化的额外证据。然而,高通量测序不能反映根相关真菌类群的绝对丰度;进一步的研究应该探索根相关真菌的丰度或生物量是否也在不同植物物种之间存在差异。
我们的结果提供了第一个证据,气候变暖增加了不同植物物种之间根相关真菌群落的差异性。与我们的预期相反,较高水平的寄主特异性与植物生物量的变化无关。尽管这种变异背后的确切机制仍不明确,但推测的机制可能涉及植物根系性状或渗出模式的变化。在我们的案例中,根相关真菌群落组成与根氮浓度密切相关(表1)。尽管气候变暖可能不会影响根系氮浓度,但植物与根相关真菌之间交换的氮相关资源的质量或类型将受到干扰,从而导致对根相关真菌的选择压力增加。除了根系性状外,根系分泌物也被认为是调节根相关真菌群落的重要因素。因为许多研究报告在实验性增温条件下显著刺激了根系分泌物的分泌,根系分泌物的增加或变化可能是导致不同植物物种之间根相关真菌群落差异性增加的原因。然而,气候变暖条件下根系分泌物化学和微生物底物的动态变化仍值得进一步研究。另一种解释可能与寄主植物的局部适应有关。几千年来,植物及其相关真菌共同进化,导致彼此和当地环境的适应。因此,环境变化(在我们的例子中温度升高)会破坏植物的局部适应,并改变它们对根相关真菌的选择。Fitzpatrick等人发现,具有更明显内生根细菌群落的植物物种比具有类似微生物的植物物种具有更高的生产力。如果根相关真菌遵循类似的趋势,我们可以期望植物选择更多不同的根相关真菌群落来建立一个更有益的联盟,促进其生长以适应新的环境。
研究结果表明,尽管不同寄主植物的根相关真菌群落组成变化不显著,但气候变暖可能导致不同寄主植物的根相关真菌群落组成差异较大。这一发现可能部分解释了寒冷环境中根相关真菌的宿主特异性低或无宿主特异性,特别是在北极苔原或高山生态系统中,植物在新栖息地定居的速度更快,根相关真菌的选择较少。然而,寄主植物对土壤真菌的选择性募集机制尚不清楚。因此,还应评估其他相关因素(如光照或养分),以充分了解植物与根相关真菌之间的关系。此外,植物根系也被细菌内生菌定殖,对植物生长和健康具有有益的功能。鼓励今后的实验比较这些细菌内生菌的宿主特异性。这将有助于提高我们关于气候变化对植物-土壤-微生物相互作用生态学影响的基本认识。

结论


总之,我们已经证明,变暖不会影响根相关真菌的丰度和群落组成,但会增加不同寄主植物物种间根相关真菌群落的差异。这些结果支持以下假设:由于根系分泌物的潜在变化或局部适应的破坏,气候变暖将增加根相关真菌的宿主特异性,但不支持以下假设:温度升高会导致根相关真菌丰度增加,并改变根相关真菌群落组成。我们的研究结果为温度对青藏高原极端寒冷环境中寄主植物物种和根相关真菌之间的联系的影响提供了证据。这些结果表明,寄主植物根真菌群落的多样性可能有助于植物更灵活地适应不断变化的环境条件。





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关键词:
气候变暖,特异性,生物量,根系,差异

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