《Frontiers in Ecology and Evolution》：Intra- and interspecific variation in growth and heat tolerance traits of saprotrophic fungi isolated from pyrogenic carbon in a frequent fire ecosystem
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火是影响全球许多陆地生态系统的重要干扰因素。燃烧的副产物之一是部分燃烧的有机物，即焦源性碳（pyrogenic carbon，PyC），其对大多数微生物而言难以分解。嗜火真菌（pyrophilic fungi）是指能够分解和利用PyC
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火是影响全球许多陆地生态系统的重要干扰因素。燃烧的副产物之一是部分燃烧的有机物，即焦源性碳（pyrogenic carbon，PyC），其对大多数微生物而言难以分解。嗜火真菌（pyrophilic fungi）是指能够分解和利用PyC、能在极端高温中存活、和/或具有在火后条件下快速定殖适应性的真菌。然而，目前仅有少数真菌分类群被鉴定出其嗜火特性。了解火后环境中真菌的生长策略和嗜火性状，有助于理解生态系统从火干扰中恢复的机制及其对碳循环的贡献。本研究通过测试七个真菌分离株（Trichoderma和Mucor物种）在不同碳底物（含PyC、蔗糖或水琼脂的培养基）上的生长能力，对其嗜火性状进行了表征。研究人员还将这些分离株置于一系列温度下培养，以确定碳源是否影响耐热性，以及分解PyC的能力是否与更高的耐热性同时出现。研究发现，与PyC相关的真菌表现出广泛的生长策略，其中许多能够在PyC上生长。然而，关于耐热性与PyC上生长作为协同的嗜火性状的证据较弱。最后，研究人员还发现生长策略存在较高的种内变异，且真菌经济学谱生长性状之间存在较弱的权衡关系。底物和真菌组织的FT-IR分析进一步支持了这些结果，该分析显示不同底物导致了不同的组织化学特征。本研究结果强调了碳利用能力和生长策略的种内变异作为嗜火真菌未来研究关键领域的重要性。
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# 火生腐生真菌的生长策略与种内功能变异：来自焦源性碳分离菌株的多实验证据
## 1. 研究背景与科学问题
火是许多陆地生态系统中的重要干扰因素，在全球生物多样性维持和生态系统动态中发挥着关键作用。从频繁的低强度计划烧除到高强度野火，火事件产生独特的选压环境，驱动物种形成特殊的性状组合。对于腐生真菌而言，火事件产生了独特的资源——焦源性碳（pyrogenic carbon，PyC）。PyC是植物和土壤中有机碳在燃烧过程中部分燃烧形成的产物，以稠合多芳环结构为特征，其分解难度取决于环境条件和材料本身性质（如热解粒径、燃烧温度和持续时间、前体材料类型等）。
尽管PyC结构复杂，部分土壤真菌（如Pyronema domesticum和Fusarium oxysporum）能够代谢PyC并将其转化为更小、更不稳定的分子。然而，目前学界对与这一能力协同出现的性状组合尚缺乏实证共识，对具有PyC利用能力的真菌的生理生态位了解也十分有限。已有概念框架认为，一个物种若要被视为"嗜火真菌"（pyrophilic fungi），必须对火相关的环境变化（如pH变化、养分有效性、底物组成与数量、微生物群落组成）产生正向响应。据此，研究人员提出假设：PyC利用能力可能与偏好较高温度或至少在升高温度下存活的能力相关。此外，最新研究进展表明，腐生真菌性状经济学谱（fungal trait economics spectrum）可能为刻画嗜火真菌性状综合征提供有用的理论框架，但其中复杂的碳底物利用能力与生长策略的"慢-快"轴之间的关系仍不明确。
基于上述现状，本研究旨在回答以下核心问题：（1）从环境中PyC分离培养的真菌菌株，其在复杂碳源（PyC）与简单碳源（蔗糖）上的生长速率是否存在差异？（2）在PyC上生长速率较高的菌株是否倾向于具有更高的最适生长温度？（3）具有更保守生长性状的菌株在不同资源条件下是否更倾向于在探索性生长和开发利用性生长之间切换？（4）不同碳源引起的生理响应是否能在真菌组织化学复杂性中检测到信号？
## 2. 研究方法概述
研究人员从美国佐治亚州Tifton附近一片混合松林（长叶松Pinus palustris和火炬松Pinus taeda）地面放置的凋落物袋中分离获得7个真菌菌株。该林分自1989年弃农造林以来，以3-4年间隔进行计划烧除管理。研究人员将桦木木棒在350°C下热解1小时制备PyC，装入网袋置于地表，于2021年8月放置，2022年2月经历一次低强度计划烧除后，于2022年3月回收。基于内转录间隔区（ITS）和翻译延伸因子1 alpha（tef1-α）序列鉴定得到4个Trichoderma strigosellum菌株（TS1-TS4）、1个Mucor genevensis菌株（MG1）、1个Mucor fragilis菌株（MF1）及1个未鉴定Mucor sp.菌株（MS1）。
研究采用的主要技术方法包括：（1）选择性培养基培养实验，以最大生长速率（mycelial extension速率，cm2/hr）为主要生长响应变量；（2）跨温度梯度（25°C、30°C、35°C、40°C）的耐热性测定；（3）傅里叶变换红外光谱（Fourier-transform infrared spectroscopy，FT-IR）分析，表征底物和真菌组织的化学复杂性差异；（4）基于cellophane膜的菌丝密度测量，区分探索性生长与开发利用性生长策略。
## 3. 研究结果
**实验1：真菌菌株在选择性培养基上表现出差异化的生长特征。** 在田间与PyC相关的真菌分离株中，大多数表现出在PyC培养基上生长的能力。4个Trichoderma strigosellum菌株中的3个（TS1、TS2和TS4）以及1个Mucor isolate（MF1，即Mucor fragilis）在PyC培养基上的最大生长速率显著高于蔗糖培养基；MG1（Mucor genevensis）和TS3在PyC和蔗糖培养基上的生长相当；仅有MS1（Mucor sp.）在PyC培养基上的生长显著低于蔗糖和水琼脂培养基。
**实验2：PyC上的高生长能力并不必然与耐热性相关联。** 温度显著影响所有菌株的生长，但仅有TS2和TS3表现出受底物显著影响的生长差异。所有菌株在25-30°C范围内达到最高最大生长速率，表明其为中温微生物（mesophile）而非真正嗜热微生物。然而，TS2和MG1在35°C时仍保持最高生长速率的60%-84%，而TS3和MS1的生长几乎为零。值得注意的是，两个耐热性较强的菌株展现了截然不同的底物生长策略：MG1在所有温度下在PyC和蔗糖上生长表现相当，而TS2在PyC上持续获得更高的最大生长速率。
**实验3：部分菌株的PyC生长表型在实验间表现出可塑性。** 由于TS3和MS1在实验1和实验2的室温条件下展现出不同的PyC生长表型，研究人员开展了第三次实验以验证这一表型变化。结果显示，TS3在实验1中各培养基上生长相似，但在实验2和实验3中均在PyC上表现出更高的生长。MS1则在实验2中表现出与实验1不同的底物偏好模式，在实验3中又回归至与实验1一致的生长特征——蔗糖培养基上生长最高。TS2、TS4和MG1在所有实验中均表现出稳定的PyC与蔗糖相对生长表型。
**实验4.1：碳环境差异诱导不同菌株沿慢-快生活史连续谱产生探索与开发利用生长策略的分化。** 研究人员选取生长速率不同的MG1（蔗糖上最快）、TS2和TS4进行密度测量。结果显示，TS2和TS4在蔗糖培养基上比在PyC培养基上生长更致密，而MG1无论底物如何均表现出一致的生长策略。值得注意的是，尽管TS2和TS4基于菌丝延伸的最大生长速率非常相似，TS2的菌丝密度比TS4高出约100倍，说明这两个被初步鉴定为Trichoderma strigosellum的菌株并不完全符合以高菌丝密度为"慢"端、高菌丝延伸为"快"端的腐生真菌连续谱框架。
**实验4.2：FT-IR分析揭示不同底物上生长的菌株组织化学复杂性变化。** FT-IR光谱显示不同真菌分离株之间存在关键化学差异：MG1在1328 cm?1处存在TS4样品中不存在的峰；TS4光谱在1160 cm?1多糖复合区域有更尖锐的肩峰；MG1在1680 cm?1处呈现更尖锐的峰，而TS4中该峰出现在1660 cm?1处，且在1656-1630 cm?1区域有更大且更复杂的肩峰；与β-1,3-葡聚糖相关的892 cm?1峰仅存在于TS4样品中。同一种菌株在不同底物上生长时也呈现出组织化学差异：MG1在蔗糖上生长时额外出现931 cm?1峰（α-1,6-葡聚糖的C–H变形）；TS4在蔗糖上生长时出现1747 cm?1峰（C=O脂质酯），而在PyC上生长时出现与胺类（3445和3490 cm?1）、芳香烃C–H面外弯曲（825 cm?1）及蛋白质相关峰（1550 cm?1）。PyC底物本身在1610 cm?1和1513 cm?1处展现出芳香族C=C峰（后者常归属于木质素），并在1710 cm?1处有羧酸C=O峰。
## 4. 讨论与结论
本研究表明，与PyC相关的Trichoderma和Mucor物种在应对不同碳源时表现出多样的、可塑的生长策略。即使在初步鉴定为同一物种（Trichoderma strigosellum）的菌株之间，PyC与蔗糖培养基上的最大生长模式也存在显著差异，且部分菌株在不同实验间的表型不能完全重现。这表明碳底物利用性状并非总是物种水平上稳定可诊断的特征。种内变异可能是PyC相关真菌和嗜火真菌的常态而非例外，这为估算土壤碳动态引入了此前未考虑的新不确定性维度。
在生长策略权衡方面，研究结果仅为一个假说提供了支持："较慢"的Trichoderma菌株（TS2和TS4）在面对不同碳底物时确实表现出更多的探索与开发利用生长策略切换。但这种切换并不必然是Camenzind等人（2024）提出的"慢-快"腐生真菌连续谱上的权衡所致，因为TS2和TS4虽然菌丝延伸速率相似，但密度相差约100倍。研究未发现耐高温与PyC利用能力之间的强协同关系。从恢复力理论视角，这两个性状分别代表对火干扰的两个不同阶段：耐热性增强个体对火的抵抗力，而利用PyC这一火后资源的能力增强个体在火后的恢复潜力。此外，FT-IR分析证明了该方法可作为理解真菌对不同碳底物生理响应的有效途径，能够检测到不同底物引起的组织化学特征差异。
综上所述，随着野火频率增加和计划烧除重要性上升，理解火生态系统后果背后的生物相互作用至关重要。本工作强调，土壤腐生真菌——即便是此前未被认定为嗜火的类群——可能在火后环境中发挥重要作用。真菌生长策略和生长性状可能具有高度种内变异，且这种变异不一定符合当前真菌经济学谱和生活史权衡假说的预期。这些结论突出了理解腐生生物如何构成预测火对生态系统功能影响中的生物源不确定性的重要性。
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