温带雨林冠层高度与附生苔藓植物对真菌群落结构的塑造作用及其生态意义

本研究通过高通量测序技术（metabarcoding）系统分析了温带雨林中不同冠层高度（从地面至18米）、不同苔藓宿主物种（包括Isothecium myosuroides、Metaneckera menziesii和Porella navicularis）以及活体与死亡苔藓基质对真菌群落组成、多样性（如Shannon指数和Chao1丰富度）和功能群（如腐生菌、病原菌和地衣共生菌）的影响。结果表明：地面样本的真菌多样性显著高于冠层（Shannon多样性高17%，分类丰富度高34%），活体苔藓的真菌多样性比死亡苔藓高15%（丰富度高30%）；冠层高度、宿主物种和组织状态（活体/死亡）均显著影响真菌群落结构（PERMANOVA, p<0.05），并驱动功能群分布差异（如木材腐生菌在死亡组织中更丰富）。该研究揭示了森林冠层微生物组的垂直梯度规律和宿主特异性，为理解森林生态系统微生物功能提供了新视角。

　　

1 引言

森林冠层孕育着丰富的真菌多样性，这些真菌通过与宿主植物的复杂互作（如养分获取、胁迫耐受性和病原抗性）显著影响植物的生态与进化进程。尽管真菌在调节植物多样性、生产力和分布格局中起关键作用，但冠层真菌群落的主要驱动因子在复杂自然生态系统中仍知之甚少。冠层环境与地面相比存在显著差异：更高的光照暴露、更剧烈的温湿度波动以及有限的养分供应。这些 abiotic 梯度可能通过环境过滤（如紫外线的消毒效应）和扩散限制共同塑造真菌群落。此外，biotic 因素如宿主植物特异性（host specificity）和组织类型（活体与死亡）也可能导致微生物多样性和结构的差异。然而，目前对温带冠层系统中苔藓附生真菌的研究仍十分缺乏。本研究通过整合高度梯度、宿主物种和组织状态等多维度因子，旨在解析温带雨林冠层中苔藓相关真菌群落的组装机制。

2 材料与方法

研究地点位于美国华盛顿州奥林匹克国家公园的霍河雨林（Hoh Rainforest），该地区以富含非维管附生植物的古老树木著称。研究在12棵成年大叶槭（Acer macrophyllum）树上进行，采样设计涵盖4个垂直高度：地面（T0）、低树干（V1，0.5–1.9 m）、中树干（V2，3.8–7.2 m）和高树干（V3，9.4–17.8 m）。在每个高度采集5类样本：3种焦点苔藓物种（Isothecium myosuroides、Metaneckera menziesii和Porella navicularis）、1个混合群落样本和1个死亡苔藓样本。样本立即用DNA/RNA Shield稳定微生物DNA，并通过珠磨法破碎细胞。DNA提取使用Zymo Fecal/Soil Microbe Miniprep Kit，真菌ITS1和ITS2区域扩增遵循Earth Microbiome Project标准流程。扩增子经Illumina MiSeq测序后，使用DADA2流程处理序列并获得Amplicon Sequencing Variants（ASVs），分类学注释基于UNITE数据库（v9.0）。功能 guild 注释通过FungalTraits数据库完成，统计分析和可视化主要在R环境中利用phyloseq、vegan和lme4等包完成。

3 结果

3.1 垂直梯度对真菌群落的影响

真菌群落的多样性和组成沿垂直梯度呈现显著变化。地面样本的Chao1丰富度比冠层样本高34%，Shannon多样性高17%（p<0.001）。群落结构分析（NMDS ordination）表明，地面样本与所有冠层高度样本均存在显著差异（PERMANOVA, R²=0.04, p=0.001），且低树干与高树干之间也存在差异（pseudo-F=3.22, p=0.001）。功能群分析显示，木材腐生菌（wood saprotroph）在地面样本中的相对丰度比高冠层高56%（p=0.024），凋落物腐生菌（litter saprotroph）在地面样本中的丰度比中冠层高50%（p=0.042）。此外，Capnodiales和Pleosporales orders在高树干样本中的丰度分别为地面的2倍和2.5倍（p<0.027）。指示物种分析识别出59个与地面样本显著相关的真菌属，远多于其他高度（低树干14属、中树干5属、高树干7属）。

3.2 宿主物种对真菌群落的影响

不同苔藓物种宿主了分类和功能显著不同的真菌群落。所有宿主物种间的 pairwise 比较均显示群落结构差异显著（pseudo-F>2, R²>0.025, p=0.001）。例如，Lecanorales（地衣形成真菌）在I. myosuroides和M. menziesii中的丰度显著高于P. navicularis和群落样本（p<0.007）。相反，地衣寄生虫（lichen parasites）在P. navicularis和群落样本中的丰度是M. menziesii的3倍以上（p<0.005）。指示物种分析识别出6个与I. myosuroides相关的属、7个与M. menziesii相关的属以及26个与P. navicularis（唯一的苔类）相关的属，表明宿主特异性在真菌群落组装中起重要作用。尽管群落结构存在差异，但 alpha 多样性（如Chao1和Shannon指数）在宿主物种间无显著变化（p>0.43）。

3.3 苔藓状态（活体与死亡）对真菌群落的影响

活体苔藓样本的真菌多样性显著高于死亡样本：分类丰富度高30%，Chao1丰富度高35%，Shannon多样性高15%（p<0.004）。死亡样本的群落离散度（dispersion）更高，表明其真菌组成更异质。功能上，Cystofilobasidiales和Tremellales orders在活体样本中的丰度分别比死亡样本高12倍和7.3倍（p<0.001）。此外，凋落物腐生菌和土壤腐生菌（soil saprotrophs）在活体样本中的相对丰度分别比死亡样本高37%和51%（p<0.001），而木材腐生菌在死亡样本中更丰富（高36%, p=0.028）。指示物种分析识别出40个与活体苔藓相关的真菌属和37个与死亡苔藓相关的属，但大多数死亡样本中的真菌类群也存在于活体样本中，表明死亡苔藓可能继承了活体群落的部分 taxa。

4 讨论

本研究首次在温带雨林生态系统中综合评估了高度梯度、宿主物种和组织状态对冠层苔藓相关真菌群落的影响。结果表明，地面与冠层样本之间的差异主要源于 abiotic 因素（如湿度、温度和光照）的梯度变化，而宿主物种和组织状态则通过 biotic 机制（如宿主特异性、组织化学和抗微生物防御）驱动群落分化。与热带森林相比，温带冠层的微气候梯度较缓和，因此真菌群落的垂直变化可能更多由扩散限制和宿主结构特性介导。活体苔藓的高多样性可能源于其复杂的微生境结构和抗微生物特性，而死亡苔藓的高离散度则反映了分解过程中群落的动态演替。值得注意的是，许多真菌类群（如 saprotrophs）的功能角色可能随宿主状态转换，例如活体中的内生菌可能在宿主死亡后转为腐生生活方式。本研究强调了冠层微生物研究在揭示森林生态系统微生物多样性和功能方面的重要性，并为未来研究提供了基于苔藓指示剂的生物监测策略框架。