土壤pH与邻域森林组成调控短叶红豆杉丛枝菌根真菌群落及其生态意义

《Scientific Reports》：The arbuscular mycorrhizal fungal communities associated with Taxus brevifolia (western yew) are sensitive to soil pH and neighborhood forest composition

本研究针对温带雨林因商业采伐和气候变化面临生态系统功能退化的问题，以濒危物种短叶红豆杉（Taxus brevifolia）及其伴生树种为对象，通过标记基因测序技术揭示了丛枝菌根真菌（AMF）群落的组成特征。研究发现三种树种共享高度相似的AMF群落，且短叶红豆杉的AMF丰富度与根际土壤pH呈显著线性关系，该pH值进一步受林分组成调控。成果为通过调控森林组成维护濒危物种菌根共生体系提供了科学依据，对生物多样性保护与森林可持续管理具有重要意义。

　　

在北美西部的古老温带雨林中，短叶红豆杉（Taxus brevifolia）作为一种珍稀的耐阴灌木，正面临着商业采伐和气候变化的双重威胁。这种被世界自然保护联盟（IUCN）列为濒危物种的植物，其生存高度依赖于与丛枝菌根真菌（Arbuscular Mycorrhizal Fungi, AMF）的共生关系。然而，随着原始森林的快速消失和气候干旱化加剧，短叶红豆杉及其菌根共生系统受到了前所未有的压力。与此同时，与短叶红豆杉伴生的北美乔柏（Thuja plicata）和道格拉斯槭（Acer glabrum var. douglasii）同样依赖AMF，但这些树种间AMF群落的相似性与差异性，以及环境因子如何调控这些群落，至今尚未明确。

为了解决这一科学问题，不列颠哥伦比亚大学的Eva Snyder、Suzanne W. Simard和Shannon Guichon研究人员在《Scientific Reports》上发表了他们的最新研究成果。他们以内陆温带雨林为研究区域，通过高通量测序技术系统地研究了三种树种根际的AMF群落组成，并深入分析了土壤pH、林分组成等环境因子的影响机制。

研究人员主要采用了标记基因测序技术（使用WANDA和AML2引物对AMF的小亚基rDNA区域进行扩增），通过Illumina MiSeq平台进行高通量测序。样本来源于加拿大不列颠哥伦比亚省东南部三个森林的27棵样本树（每种树种各9棵），包括短叶红豆杉、北美乔柏和道格拉斯槭。生物信息学分析采用gDAT流程，使用MaarjAM数据库进行虚拟分类单元（Virtual Taxa, VT）鉴定。统计分析包括Hill多样性指数计算、距离基于冗余分析（db-RDA）和差异丰度检验等方法。

AMF群落组成与多样性特征

研究共鉴定出48个AMF虚拟分类单元（VT），分属于5个科：球囊霉科（Glomeracceae，41个VT）、无梗囊霉科（Acaulosporaceae，3个VT）、类球囊霉科（Claroideoglomeraceae，4个VT）、Ambisporaceae（1个VT）和多样孢囊霉科（Diversisporaceae，1个VT）。其中球囊霉科占主导地位，占序列库的88%以上。三种树种间AMF群落组成高度相似，但也存在一些宿主特异性VT：北美乔柏有4个特异性VT，短叶红豆杉有2个，道格拉斯槭有2个。

多样性分析显示，北美乔柏具有最高的AMF多样性，而短叶红豆杉的Hill-Shannon和Hill-Simpson多样性指数最低。物种累积曲线表明采样尚未完全捕获所有多样性，特别是道格拉斯槭的采样完整性仅约50%。

环境因子对AMF群落的影响

研究发现根际土壤pH是影响AMF群落结构的最强因子，其次是采样点集群效应，宿主树种的影响相对较弱。进一步分析表明，土壤pH与宿主树木周围10米半径内的优势树种组成显著相关，特别是当北美乔柏与铁杉（Tsuga heterophylla）共存时，土壤pH较低，而与花旗松（Pseudotsuga menziesii）或巨冷杉（Abies grandis）共存时pH较高。

特别值得注意的是，短叶红豆杉的AMF丰富度对土壤pH变化的敏感性显著高于其他两种树种。当根际pH较低时，短叶红豆杉的AMF丰富度明显下降，这种敏感性使其更容易受到森林组成变化的负面影响。

群落结构的空间格局

基于距离的冗余分析（db-RDA）显示，无论是从分类学还是系统发育角度，AMF群落结构均表现出明显的空间集群效应。同一集群内的不同树种间AMF群落相似性较高，而不同集群间差异明显，这进一步支持了环境过滤（environmental filtering）在AMF群落构建中的主导作用。

本研究通过系统分析短叶红豆杉及其伴生树种的AMF群落，揭示了环境过滤（特别是土壤pH）在温带雨林AMF群落构建中的主导作用。三种树种间AMF群落的高度相似性表明它们可能共享一个共同的菌根网络，这为理解树种共存机制和森林生态系统功能提供了新视角。

研究发现短叶红豆杉的AMF群落对土壤pH变化异常敏感，这一发现具有重要的保护生物学意义。随着气候变化和人类活动导致的森林组成改变，土壤环境的变化可能首先影响短叶红豆杉的菌根共生系统，进而威胁这一濒危物种的生存。因此，在森林管理中考虑维护适宜的土壤条件和林分组成，对于保护短叶红豆杉及其菌根真菌群落至关重要。

此外，三种树种间AMF群落的高度重叠暗示它们可能通过共同菌根网络（Common Mycorrhizal Network, CMN）相互连接，并进行资源交换。这种网络结构可能在森林演替过程中发挥重要作用，例如道格拉斯槭作为演替中期物种可能为后期演替的北美乔柏和短叶红豆杉幼苗提供菌根接种体。

该研究不仅增进了我们对温带雨林菌根生态学的理解，也为濒危物种保护和森林可持续管理提供了科学依据。未来的研究需要进一步探索这些AMF群落的功能特性，以及共同菌根网络在养分循环和树种互作中的具体机制，从而为应对气候变化下的森林生态系统管理提供更多见解。