气候驱动的根系-微生物互作：欧洲赤松种源在共同花园实验中的地下适应性分化及其生态启示

本研究针对欧洲赤松（Pinus sylvestris）地下性状与气候适应关系不清的问题，通过共同花园实验分析10个种源的根系形态化学、土壤特性及细菌群落。发现种源气候显著影响土壤pH、总碳磷浓度及根系葡萄糖含量；根内生菌群比土壤菌群呈现更高种源分化，且春季差异更显著。表明赤松地下性状存在遗传适应性，影响微生物群落构建，对气候智慧型林业有重要启示。

　　

欧洲赤松（Pinus sylvestris）作为欧亚大陆广泛分布的针叶树种，其种群需要适应从温带到大陆性乃至干旱气候的多样化环境。以往研究多关注地上部分的形态和物候适应性，而对地下部分（包括根系特性及其相关的微生物群落）如何响应气候变化的了解相对有限。实际上，根系性状和土壤微生物互作对树木健康及生态系统功能至关重要。尤其令人担忧的是，有证据表明赤松地下性状可能比地上部分具有更强的遗传基础而非可塑性，这意味着在快速气候变暖背景下，树木通过调整地下活动时间以利用更长生长季的能力可能受限。更复杂的是，树木通过根系化学特性（如根系分泌）和形态特征塑造的微生物群落，若无法与当地气候条件匹配，可能进一步加剧气候变化对树木生长的负面影响。

为探究这些问题，研究人员利用一项已有40年历史的国际林联（IUFRO）共同花园实验，该实验位于波兰Wyszków，种植了来自10个不同气候种源的欧洲赤松。研究于2022年生长季初期（春季）和中期（秋季）分别采集了树木的细根和根际土壤样品。关键技术方法包括：1) 根系形态（如比根长SRL、比根面积SRA）和化学（如碳、氮、葡萄糖、淀粉浓度）性状测量；2) 土壤化学性质（pH，总碳、氮、磷，有效磷等）分析；3) 采用Illumina MiSeq平台对细菌16S rRNA基因V3-V4区进行测序，以分析土壤和根内生细菌群落结构；4) 运用多元统计（如PERMANOVA、指示种分析）、回归模型和偏最小二乘路径模型（PLS-PM）等统计方法，将微生物群落数据与树种源气候变量及地下性状进行关联分析。

3.1. 种源生物气候条件

主成分分析（PCA）显示，前两个轴解释了种源间生物气候变量77%的变异。气候变量被划分为四个集群（ClimA-D），其中ClimA主要为降水相关变量，而ClimC和ClimD则多为温度相关变量，表明所选种源涵盖了显著的气候梯度。

3.2. 不同种源和季节的地下性状

多数测量的根系化学和形态性状（除根组织密度RTD和根淀粉浓度外）以及土壤化学性状在种源和季节间存在显著差异。种源气候条件可以部分解释这些地下性状的分化，例如土壤pH、土壤总碳和总磷浓度、根系葡萄糖浓度等。春季（生长季开始）的根系性状（如根系葡萄糖浓度）表现出更大的种源间差异，表明不同种源的树木可能在地下活动启动时间上存在遗传调控的差异。

3.3. 共同花园地下细菌多样性

研究共识别出5015个细菌OTU（操作分类单元）。土壤细菌群落的OTU丰富度和多样性（S=4107, H=6.22）高于根内生菌群落（S=2565, H=4.26），且根内生菌群落的优势度更高（ fewer OTUs占据总reads的50%）。无论是土壤还是根内生细菌群落，其结构都受到种源和季节的显著影响。根内生菌群落的种源分化程度高于土壤细菌，并且这种分化在春季更为明显。来自最南端种源（Za）的树木，其根内生菌群落与其他种源差异最大。

3.4. 细菌群落差异的驱动因子

近40%的OTU表现出对特定群落类型（土壤或根内生）的偏好。更多的OTU在根内生菌群落中表现出对特定种源的偏好。其中，一些高丰度OTU（如土壤中的OTU 25和根内的OTU 66）与特定种源显著相关。

3.5. 细菌群落与地下性状的关系

根和土壤性状显著影响了细菌群落的多样性和结构。细菌OTU的丰度与多种地下性状（如土壤pH、根系氮浓度等）存在显著相关，但这些关系在季节和群落类型间存在差异。距离基于冗余分析（dbRDA）表明，不同季节和群落类型中，解释群落结构变异的最佳地下性状组合不同。例如，春季土壤菌群结构变异的最佳解释变量是土壤pH和总碳浓度，而秋季根内生菌群则与根系碳浓度和根组织密度RTD关系更密切。然而，所有模型解释的变异度均低于10%，表明还有其他重要驱动因素。

3.6. 种源气候效应向细菌群落结构的传导

偏最小二乘路径模型（PLS-PM）验证了种源气候通过影响地下性状（土壤化学、根系化学、根系形态）进而间接影响细菌群落的假说。这种间接效应在根内生菌群落中尤为明显。对于土壤细菌群落，种源气候的效应部分是通过未测量的中介性状（如根系分泌物）实现的。

4. 讨论

研究表明，经过40年的共同花园生长，欧洲赤松的地下性状及其相关的细菌群落仍然保留着其种源气候的印记，这凸显了地下性状遗传适应的重要性。春季观测到的更大分化，特别是根系葡萄糖浓度的种源差异，表明树木启动地下活动的时间可能受其原产地气候的遗传调控。来自较冷种源的树木可能通过延迟根系生长季来避免春冻伤害，这种策略在气候变暖背景下可能变为劣势。土壤总磷浓度的种源差异（近50%的变异由种源解释）表明不同种源在磷动员效率上存在分化。

细菌群落，尤其是根内生菌，对种源表现出更高的响应程度，说明植物基因型在塑造更贴近自身的微生物群落方面发挥着重要作用。然而，所测量的地下性状仅能部分解释细菌群落的变化，暗示其他因素（如根系分泌物、与真菌的互作等）也是重要的中介。根内生菌群落与土壤群落的显著差异，以及部分菌群可能源自种子而非土壤的推测，增加了树木-微生物共适应关系的复杂性。

5. 结论

本研究证实了成熟欧洲赤松的地下性状和相关细菌群落存在与种源气候相关的遗传分化，这种分化在生长季初期最为明显。这意味着树木在适应新气候条件时，其地下系统（包括与微生物的互作）可能重新调整缓慢，从而构成其气候适应性的一个潜在限制因素。研究结果强调，在气候智慧型林业实践中，考虑树木种源的地下适应性及相关的微生物群落至关重要，因为它们共同影响着森林生态系统在气候变化下的功能和恢复力。