挪威云杉原木中真菌群落的精细尺度随机分布模式及其地衣型真菌无光共生体的发现

本研究通过详细的宏条形码测序和网络分析，揭示了挪威云杉枯木中真菌群落的精细尺度空间分布模式。研究人员发现不同原木间优势种和群落结构差异显著，木材内部与表面真菌组成迥异，且真菌共现关系稀少，表明优先效应和随机过程共同驱动群落构建。此外，研究首次检测到无光共生体的地衣型真菌存在于木材内部，暗示其可能存在自由生活阶段，为理解真菌生态和地衣进化提供了新视角。

　　

在北方森林生态系统中，枯木是真菌多样性最重要的栖息地之一。据估计，在北欧森林中，木材栖息真菌占森林物种总数的10%以上，而最新的分子生物学研究表明这个数字可能被严重低估。以挪威云杉（Picea abies）为例，这种占芬诺斯坎迪亚地区枯木体积40%的树种，竟能孕育数千种不同的木材栖息真菌。然而，科学家们长期被一个问题所困扰：在如此小的空间尺度上，为何能维持如此高的真菌物种丰富度？

传统研究多关注林分、景观等较大尺度上的真菌多样性，但对枯木内部精细尺度的分布模式知之甚少。单个原木内可能包含数百种真菌，而微小的木材样本中也可能存在数十个物种，这种变异似乎极高。木材栖息真菌在生长的基质中腐烂、消耗资源，这些基质以附着或脱落的枝条、站立的或被砍伐的树干、埋藏的根等形式在空间和时间上斑块状形成和分布。因此，真菌物种和枯木类型的多样性在森林林分和景观中空间嵌套分布。

真菌群落的组装并非简单的线性路径，而是包含确定性和随机性组分的复杂动态镶嵌体。这似乎是一个高度随机的过程，具有很大程度上不可预测的扩散和定殖-灭绝动态，而确定性环境过滤似乎只提供有限的预测能力。在木材内部，空间和 abiotic 特性（如枯木类型、腐烂阶段、湿度、树木死亡原因）决定了个体菌丝相遇和相互作用的性质和规模。在更精细的尺度上，群落成员的性状和整体适应度，涉及资源获取、竞争排斥和促进，影响群落结构和多样性。

优先效应（priority effect）在木材栖息群落中反复被报道——初级定殖物种的菌丝建立和领土占据强烈影响后来到达群落的组装。有趣的是，腐生地衣型真菌曾在原木内部数厘米处被检测到，甚至在老化树木中也有发现，这引发了一个问题：它们是否可能存在自由生活阶段？传统上，地衣型真菌被认为与光合生物形成专性共生，并被限制在生长基质的表面。

为了解决这些知识空白，来自瑞典农业科学大学的研究团队开展了一项创新性研究。他们选择瑞典北部古老森林中自然倒下的中等腐烂程度的挪威云杉原木，通过跨学科盘采样和DNA宏条形码技术，结合网络分析和空间建模，首次在如此精细的尺度上揭示了木材内部真菌群落的分布模式。

研究人员采用了一套综合的技术方法体系。他们在瑞典北部古老森林中选择两个相距250米的样地，每个样地选取4根挪威云杉原木。从每根原木采集4个8厘米厚的盘片，每个盘片采集13个钻孔木屑样本（使用6毫米钻头，深度2厘米）和4个表面样本。DNA提取使用NucleoSpin Soil试剂盒，PCR扩增真菌ITS2区域使用带标签的引物gITS7、ITS4A和ITS4。测序在SciLifeLab使用PacBio平台完成，原始读数使用SCATA流程进行质量过滤和聚类，OTU分类通过BLAST比对UNITE和GenBank数据库完成。统计分析包括NMDS排序、PERMANOVA、热图生成、Pearson相关网络分析和生态角色分类等功能分析。

3.1. 木材中的真菌群落

通过对钻孔木材样本的分析，研究人员共鉴定出645个OTUs，平均每个样本包含10个OTUs（范围1-49）。担子菌门（Basidiomycetes）占总读数的65%（184个OTUs），子囊菌门（Ascomycota）占33%（397个OTUs）。三个最丰富的OTUs（Antrodia serialis、Porodaedalea abietina和Veluticeps abietina）占总读数的35%，而95个最丰富的OTUs占总读数的80%。真菌群落在两个样地和八根原木间的组成差异显著，而且在单个原木内，不同盘片间以及盘片内上部、下部和中心位置间的群落组成也存在显著差异。

3.2. 精细尺度的真菌分布模式

网络分析揭示了一个精细尺度的真菌群落模式，真菌的出现和组成在原木内和不同盘片间都有变化。八根原木中有三根被单一不同的OTUs主导整个内部，而其他原木则有少数几个更丰富的OTUs。Porodaedalea abietis在8号原木中占主导地位，占读数的96%；Neoantrodia serialis和Veluticeps abietina分别主导1号和7号原木，分别占读数的57%和50%。这些真菌也存在于大多数其他原木中，但频率和丰度较低。

频繁和优势类群大多存在于所有盘片和盘片的大部分区域，而不太频繁类群的出现通常局限于少数或特定的盘片和原木的特定区域。例如，在1号原木中，N. serialis分布在所有盘片中，与原木中心显著相关，但也存在于所有盘片的外部区域。N. serialis在外部的较低出现与其他OTUs的存在相关，并且在一个位置与Rhytismataceae1呈显著负共现。

3.3. 原木表面的真菌群落

对原木表面样本的分析发现了598个OTUs，平均每个样本包含40个OTUs（范围4-110）。子囊菌门占OTUs的64%和读数的70%，担子菌门占OTUs的26%和读数的20%。真菌群落主要由子囊菌主导，其中Helotiales、Chaetothyriales和Lecanorales占读数的55%。原木表面的真菌群落与木材内部的群落显著不同，原木上部和下部表面的真菌群落也存在显著差异，但不同侧面间无差异。

3.4. 木材样本中无光共生体的地衣型真菌

在木材样本中，研究人员发现了8个（占总OTUs的1%，总读数的0.02%）可以明确归属于地衣型真菌的OTUs，即与先前测序的地衣型真菌具有高度序列相似性。此外，还记录了9个可能是地衣型真菌的OTUs。最常检测到的地衣型真菌OTUs是Parmeliopsis ambigua和Xylographa parallela，它们在原木表面也经常被肉眼识别。值得注意的是，两个可能属于Elixia的地衣型OTUs从所有木材样本的10%中检测到，并且在每个原木中至少存在一个OTUs，但它们大多未在表面样本或肉眼调查中检测到。

3.5. 推定生态角色的分布

将OTUs按生态角色分类显示，已知的木材分解者集中在原木中心，其他腐生菌、病原菌和菌根真菌位于原木外部，而地衣型真菌局限于原木的上部和外部。

这项研究通过对挪威云杉原木中真菌群落的精细尺度模式分析表明，大多数物种在整个自然形成的原木中以看似偶然的精细尺度模式出现，即使是附近的原木也存在不同的主导真菌和不同的真菌群落。虽然高度可变的木材栖息真菌组合已被充分描述，但它们的分布以前从未在如此精细的尺度上进行研究。

研究结果支持这样的观点：对于共享生态位和微生境需求的类群，随机过程比确定性过程（如环境过滤）对木材中真菌群落的出现和组成更具决定性。这些发现还表明，在适当的时间产生大量孢子从而增加定殖概率，可能比生态位分化和种间相互作用对主要从孢子定殖的物种更为关键。

研究还检测到几个地衣型真菌OTUs存在于木材中，表明其中一些可能具有腐生生活史阶段。虽然罕见，但地衣型真菌在木材深处的出现表明，兼性地衣化可能比目前公认的更广泛地存在于地衣型真菌中，但这种策略在地衣型真菌生命周期中的重要性仍然未知。

按生态角色分组的OTUs在木材中出现在空间上分割到不同的生态位。这表明环境过滤对某些生态角色的OTUs的精细尺度组合的影响大于特定身份的OTUs，可能是因为真菌生态角色与定殖、资源利用和演替阶段相关的基本机制联系更紧密。

这项研究不仅增进了我们对木材降解过程中真菌群落组装机制的理解，还为地衣型真菌的生态适应性提供了新的见解，对森林生态保护和真菌资源利用具有重要的理论和实践意义。研究成果发表在《Fungal Ecology》上，为真菌生态学研究提供了新的方法论范例和理论基础。