编辑推荐：
为探究热带森林真菌群落时空分布及组装机制，中国台湾中央研究院生物多样性研究中心的研究人员开展相关研究，发现群落高周转、不同栖息地组装过程有差异等结果。该研究对理解真菌生物地理和生态系统功能意义重大，推荐科研读者阅读。
探秘热带森林真菌群落：时空动态中的生态奥秘
来自中国台湾中央研究院生物多样性研究中心（Biodiversity Research Center, Academia Sinica）的 Chieh-Ping Lin、Yu-Fei Lin 等研究人员，在《Environmental Microbiome》期刊上发表了题为 “Spatiotemporal dynamics reveal high turnover and contrasting assembly processes in fungal communities across contiguous habitats of tropical forests” 的论文。这一研究对于深入了解热带森林生态系统中真菌群落的分布规律、生态功能以及生物地理特征具有重要意义，为森林生态系统的保护和管理提供了关键的理论依据。
研究背景：探索真菌群落的未知领域
森林作为高度异质的生态系统，蕴含着丰富多样的栖息地，从鲜嫩的树叶到土壤，不同的生态位为真菌的生存和繁衍提供了独特的环境。真菌在森林生态系统中扮演着至关重要的角色，它们参与养分循环、有机物分解等过程，对维持森林生态系统的健康和功能起着不可或缺的作用。例如，叶际真菌（phyllosphere fungi，指附生在植物叶片表面或细胞间隙的真菌群落 ）在树叶凋落后，能够将有机物质转化为植物可吸收的形式，促进养分的循环利用。
尽管全球范围内针对特定栖息地真菌多样性的研究已较为广泛，但在局部尺度上，多个相邻栖息地真菌群落的时空分布模式以及它们的组装、维持和分化机制仍有待深入探索。理解这些机制，对于揭示微生物生物地理学和生态系统过程具有重要意义。
以往研究发现，真菌群落的时空变异性在土壤环境中研究较多，其中菌根真菌（mycorrhizal fungi，与植物根系形成共生关系的真菌 ）起着关键作用。普遍观察到的生物地理模式是群落相似性随空间距离的增加而衰减，这种距离衰减关系可能源于扩散限制，即物种扩散能力随距离源地的增加而减弱。同时，地理上相近的区域通常具有相似的环境条件，这有助于增强区域内物种的相似性。然而，这些驱动因素对不同栖息地真菌群落的影响各不相同，导致群落组装模式各异，并且这种影响还依赖于研究的空间尺度。在较小空间尺度上，环境相对均匀，随机过程可能占主导；而随着空间距离增加，环境异质性增强，群落组成可能更多地由环境异质性决定。因此，明确群落组装是由中性过程还是如生态位分化等确定性因素塑造，是揭示真菌群落时空动态和生态驱动因素的关键。
热带和亚热带森林覆盖了全球 56% 的森林面积，拥有世界上 42.8% 的树种，是地球上生物多样性最为丰富的生态系统之一。中国台湾地区森林覆盖率高达 60.7%，其中阔叶林是众多壳斗科（Fagaceae）植物和微生物的家园。然而，目前针对壳斗科植物相关真菌群落的研究相对有限，除了菌根真菌和土壤真菌外，对其周围不同栖息地真菌群落的研究较少。鉴于台湾地区丰富的生物多样性、多样的环境条件以及其作为真菌保护优先区域的地位，该地区成为研究真菌群落的理想场所。深入了解台湾森林中壳斗科植物的真菌群落，有助于揭示这些生态系统的生态过程，为更有效的森林管理和保护策略提供参考。
研究方法：解锁真菌群落的技术密码
样本采集
研究人员在台湾南投县的埔里镇、仁爱乡以及宜兰县的福山植物园，对 7 种壳斗科植物（包括窄叶栎 Quercus stenophylloides、青冈栎 Quercus glauca 等）的树叶、树枝、凋落物和表层土壤进行了样本采集。在每个地点的不同时间点进行采样，南投县的样本分别在 2022 年 4 月和 10 月采集，福山植物园的样本在 2022 年 7 月和 12 月采集，共收集了 864 个样本。每个树木的每个栖息地均采集三份重复样本，并记录了相关的非生物变量。
样本预处理与 DNA 提取
树叶、树枝和凋落物样本的预处理遵循先前研究的方案，通过超声处理、振荡和过滤等步骤收集表面相关的基因组 DNA，使用 DNeasy PowerWater 试剂盒提取 DNA。表层土壤样本则先过筛去除杂质，再使用 DNeasy PowerSoil Pro 试剂盒提取 DNA，并通过特定的匀浆处理和 DNA 定量方法进行处理。
扩增子文库构建与测序
利用特定的引物对 ITS2 区域进行扩增，构建扩增子文库。以酿酒酵母（Saccharomyces kudriavzevii、S. paradoxus 和 S. cerevisiae）的基因组 DNA 作为阳性对照，评估测序和分析中的假阳性情况。对扩增后的产物进行标准化处理，使用 Illumina Miseq PE300 测序平台进行测序。
统计分析
原始测序数据经过一系列处理，包括使用 sabre 进行解复用、FastQC 检查测序质量、usearch 去除无引物序列、Cutadapt 修剪引物序列等，然后利用 Qiime2 管道进行质量过滤和去噪，得到扩增子序列变体（ASVs）。通过 constax 和 UNITE 真菌数据库对 ASVs 进行分类学注释，使用 FUNGuild 注释营养模式。在 R 环境中进行数据处理和分析，包括更新分类学水平、去除背景读数、过滤低丰度 ASVs 等操作，并进行多样性指数计算、样本异质性分析、广义差异模型（GDM）分析、归一化随机性比率（NST）分析、随机森林分析和共现网络分析等。
研究结果：真菌群落的生态画卷
台湾壳斗科森林不同栖息地和季节的真菌多样性
研究人员对采集的样本进行 ITS2 区域测序分析，共获得 11,600 个 ASVs，这些 ASVs 分属于 7 个门，其中子囊菌门（Ascomycota）占主导地位，相对丰度为 56.3%。ASV1 属于枝孢属（Cladosporium），是最主要的 ASV，在 679 个样本中的 330 个中出现，平均相对丰度为 5.48%，在凋落物和树叶中尤为普遍。
通过 Chao1 和 Shannon 多样性指数评估发现，不同栖息地的真菌多样性存在显著差异，凋落物中的真菌丰富度和均匀度较高，而土壤中的多样性最低。季节变化也是影响真菌群落的重要因素，不同地点在不同季节的真菌丰富度和均匀度呈现出不同的变化趋势。在宿主物种水平上，除了埔里秋季部分宿主物种间存在差异外，大多数情况下宿主身份对真菌多样性的影响不显著。
阔叶林真菌多样性的时空变化和生态位组装
计算 Bray-Curtis（BC）差异指数发现，即使在同一棵树上，相同栖息地的真菌群落也具有较高的差异（中位数 BC = 0.65），且同一栖息地的样本比不同栖息地的样本更相似（中位数 BC = 0.65 vs. 0.94）。不同季节采集的样本 BC 差异更高（中位数 BC = 0.85），树叶样本的差异最低。在考虑树木间距离时，相同栖息地的样本仍具有较高差异（中位数 BC = 0.88），且存在明显的距离衰减关系，这种关系在同物种树木间比不同物种树木间更强，在叶与叶的比较中最为明显，而土壤与土壤的比较中距离衰减关系较弱或不显著。通过 NST 分析发现，树枝的随机性最低（平均 NST = 0.56），土壤的随机性最高（平均 NST = 0.68）。
森林真菌群落的环境预测因子
利用 Bray-Curtis 距离和非度量多维缩放（NMDS）、主坐标分析（PCoA）对真菌组成差异进行分析，发现同一地点不同季节采集的样本显著聚集在一起，土壤样本与其他三个栖息地样本有明显区别，宿主物种对真菌组成有影响但相对较小。在气候变量中，月降水量对真菌群落组成影响最大，而日降水量影响较弱。GDM 分析表明，空间距离是影响真菌群落差异的重要因素，在考虑环境预测因子后，空间距离与降水量相互作用，共同解释了真菌群落差异的大部分变异。
森林栖息地中 ASVs 的分布、营养模式和预测因子
根据 ASVs 在不同栖息地的存在情况，将其分为栖息地特异性和普遍存在的 ASVs。土壤中栖息地特异性 ASVs 数量最多，腐生 - 共生营养模式最为普遍。只有两个 ASVs 在所有栖息地中都存在，而地上栖息地（树叶、树枝和凋落物）共享 12 个 ASVs。致病真菌主要存在于地上栖息地，树叶中含量最高。随机森林分析显示，该模型对栖息地分类具有较强的预测能力，部分 ASVs 是特定栖息地的强预测因子，如 ASV36 和 ASV6 是土壤的关键预测因子，而 ASV80、ASV8 和 ASV51 分别在树叶、树枝和凋落物样本中更为丰富。
不同栖息地共现网络的复杂性和连通性
构建共现网络发现，不同栖息地和环境条件下网络的大小和复杂性存在显著差异，土壤网络较小且不复杂。季节变化对网络复杂性有影响，冬季网络复杂性普遍降低。NST 与网络中的节点和边数量呈显著负相关，表明网络越复杂，随机过程对群落组装的影响越小。通过分析节点的连接性，确定了一些模块化枢纽、连接器和网络枢纽，其中枝孢属的 ASV1 被认为是网络枢纽，在维持网络稳定性方面具有重要作用。
研究结论与讨论：真菌群落研究的新突破
本研究详细量化了热带壳斗科森林中不同地上栖息地真菌群落组成的时空异质性。研究发现，即使在同一棵树上，相同栖息地的真菌群落也存在高度差异，这与之前关于凋落物真菌在短距离内差异较大的研究结果一致。GDM 分析表明，不同栖息地对环境和空间梯度的响应不同，叶和枝的群落周转与空间距离的关联更强，反映出对扩散限制的敏感性，而凋落物和土壤群落的空间约束较小。NST 分析进一步证实，树枝、凋落物和树叶受确定性过程影响较大，而土壤受随机过程影响更大。
在真菌群落周转方面，研究揭示了不同空间尺度和栖息地的独特模式。土壤真菌群落周转通常表现出较弱或不存在距离衰减关系，而在某些特定情况下，如福山夏季，可能存在特定因素影响短距离内的群落周转。在更大尺度上，降水等环境因素对真菌群落的影响更为显著。综合来看，虽然扩散限制在小空间尺度上对群落周转起主导作用，但环境过滤在真菌群落组装中也起着不可忽视的作用。
此外，研究还发现不同栖息地的真菌群落存在一定程度的重叠，这表明真菌可能存在潜在的移动途径或共享的环境条件，促进了群落的趋同。随机森林分析中样本的误分类现象也进一步证实了这一点，同时也暗示了真菌可能存在从树冠向地面的垂直移动。
枝孢属（Cladosporium sp.）作为关键物种，在共现网络分析中是唯一的网络枢纽，在随机森林模型中也是重要的栖息地预测因子。它在树叶和凋落物样本中占主导地位，其广泛存在表明它在叶组成、养分循环和有机物分解中可能发挥着重要作用，对维持叶际真菌群落的生态平衡具有重要意义。
总体而言，本研究通过对热带阔叶林中共存栖息地的时空异质性研究，揭示了真菌群落组装的不同过程。空间距离和降水等环境梯度在塑造群落周转中起主要作用，不同栖息地的特征影响着群落的形成机制。研究结果强调了综合研究多个栖息地对于理解真菌生物地理学的重要性，同时也为进一步探索栖息地特异性驱动因素在生态系统功能和保护中的作用提供了方向，有助于在气候变化背景下更好地保护和管理森林生态系统。
