亚高山森林地表塔藓(Hylocomium splendens)相关真菌的演替与碳源利用

《Ecological Research》：Succession and Carbon Source Utilization of Fungi Associated With Hylocomium splendens on a Subalpine Forest Floor

　　

关于寒冷地区由活体、衰老和不同分解阶段死亡组织构成的苔藓剖面中真菌演替与碳源利用之间的关系知之甚少。研究人员研究了森林地表苔藓塔藓(Hylocomium splendens)剖面内的真菌演替和碳源利用，以鉴定与真菌演替状态相关的代谢性状。从日本中部亚高山森林地表采集的苔藓片段中分离出微型真菌，用于研究真菌演替，并测试其利用Biolog EcoPlates中31种碳化合物的生理能力。从120个苔藓片段中共获得244株真菌分离物，在97%相似性阈值下将其归为44个操作分类单元(operational taxonomic units, OTUs)，属于子囊菌门(Ascomycota)、毛霉门(Mucoromycota)和担子菌门(Basidiomycota)。这些真菌表现出利用Biolog EcoPlate中31种底物的潜力，并可根据其碳源利用模式进行区分。真菌的演替状态与其利用α-酮丁酸(α-ketobutyric acid)和D-苹果酸(D-malic acid)的能力显著相关。这些结果表明，真菌的代谢性状与其在亚高山森林地表分解苔藓组织中的演替模式密切相关。

**论文解读：亚高山森林地表塔藓相关真菌的演替与碳源利用**

**研究背景与问题**

真菌作为真核微生物，在包括苔藓在内的陆生植物残体分解中发挥关键作用。它们通过分泌胞外酶攻击有机组成，驱动植物残体的化学转化以及真菌物种的定殖、更替和演替。然而，关于真菌碳源利用相关性状如何与分解残体上的演替模式相关联，目前仍知之甚少。苔藓在北方生态系统中占生物量生产的重要比例，构成寒冷地区陆地碳库的主要组分；其组织富含难降解底物，使分解成为全球碳循环中关键但缓慢的过程。因此，探索碳利用性状与真菌演替模式之间的功能联系，将有助于理解与苔藓分解相关真菌的生态学。

**研究目的与意义**

本研究旨在调查日本中部优势苔藓物种塔藓(Hylocomium splendens)剖面中真菌的演替与碳源利用，并鉴定与演替状态相关的代谢性状。研究人员检验了以下假说：利用特定碳化合物的潜在能力与亚高山森林地表分解苔藓组织中真菌的演替模式相关联。该研究发表在《Ecological Research》。

**主要技术方法**

研究人员于2020年8月在日本长野县佐久穗町白驹池附近（36.05°N, 138.36°E, 海拔2115 m）的亚高山针叶林地表采集了五个苔藓块（15×15 cm，深度8–10 cm），每个块中随机选取六株包含至少四个节段的枝条，按结构顺序（尖端至基部）分为节段1至4（分别对应当年生绿色叶片、第一年生绿至黄色叶片、第二年生大部分褐色叶片仍附着、以及黑色分解且叶大部分脱落的枝条），共120个苔藓片段。采用改良洗涤法从苔藓片段中分离真菌，置于改良木质纤维素琼脂培养基上于20°C培养8周。对分离物进行形态学鉴定，并分析rDNA内转录间隔区(ITS)序列，以97%相似性阈值划分操作分类单元(OTUs)。利用Biolog EcoPlate（含31种碳源）评估真菌分离物的碳源利用能力，通过均一颜色发育值(AWCD)量化，并于20°C孵育14天。使用演替指数(M)量化单OTU的演替趋势，并采用广义线性模型(GLM)、主成分分析(PCA)和Pearson相关系数进行统计分析。

**研究结果**

**3.1 分类组成、发生与演替**

从120个苔藓片段中共获得244株真菌分离物，划分为44个OTUs，其中80%属于子囊菌门(Ascomycota)，18%属于毛霉门(Mucoromycota)，2%属于担子菌门(Basidiomycota)。57%的OTUs为单例（仅出现于一个片段），43%为非单例。非单例OTUs中，74%属于子囊菌门，26%属于毛霉门。最丰富的属是青霉属(Penicillium，10个OTUs)，其次是木霉属(Trichoderma，8个OTUs)。Trichoderma OTU_04是最常见的OTU，占全部OTU出现的23%。演替指数范围为1.0至4.0，非单例OTUs的演替指数范围为1.7至3.5。子囊菌门与毛霉门之间非单例OTUs的平均演替指数无显著差异。

**3.2 碳源利用**

44个OTUs均表现出利用Biolog EcoPlate中31种底物的潜力，其中平均光密度(OD)值最高的是Tween 80和Tween 40，最低的是葡萄糖-1-磷酸和α-酮丁酸。主成分分析根据碳源利用模式区分了44个OTUs，前两个主成分(PC1和PC2)共解释64%的方差。PC1（特征值2.73）与Tween 80、D-甘露醇和L-天冬酰胺的OD值正相关；PC2（特征值0.63）与D-甘露醇正相关，与Tween 40负相关。PC1在子囊菌门与毛霉门之间无显著差异，而PC2在子囊菌门中显著高于毛霉门（非单例OTUs和全部OTUs均显著）。

**3.3 演替与碳源利用的关系**

基于AIC的GLM模型选择表明，包含六种碳源（α-酮丁酸、L-丝氨酸、4-羟基苯甲酸、D-苹果酸、D-半乳糖醛酸和L-苯丙氨酸）的模型最佳地解释了19个非单例OTUs的演替指数（AIC = ?2.56）。最佳模型显示，演替指数与α-酮丁酸、4-羟基苯甲酸和D-苹果酸的OD值显著正相关，与L-丝氨酸、D-半乳糖醛酸和L-苯丙氨酸的OD值显著负相关。真菌门类和其余25种碳源的OD值未被纳入最佳模型。

**讨论与结论**

本研究中从塔藓片段分离的真菌分类组成与以往报告一致：青霉属和木霉属以及毛霉门（如被孢霉属(Mortierella)和毛霉属(Mucor)）的频繁出现是温带和北极苔藓微型真菌区系的共同特征。分解苔藓组织中的真菌演替模式类似于Hudson (1968)对土壤中分解植物凋落物的综述：拟盘多毛孢属(Pestalotiopsis)和枝孢属(Cladosporium)为早期演替类群（演替指数<2.5），被视为“初级腐生菌”；而大多数青霉属和木霉属OTUs为晚期演替类群（演替指数>2.5），被视为“次级真菌”。Biolog EcoPlate测试揭示了苔藓相关微型真菌多样的碳源利用能力，表明这些真菌可能负责死亡苔藓组织中这些化合物的代谢。子囊菌门与毛霉门OTUs在碳源利用模式上的差异主要由一个离群值（Entomortierella OTU_32，毛霉门）驱动，该OTU对D-甘露醇无活性且对Tween 40的OD值最高，导致PC2值最低。本研究还显示，塔藓分解组织中微型真菌的演替状态并非受分类群影响，而是受其利用四种羧酸和两种氨基酸的潜在能力影响：早期演替真菌倾向于更活跃地利用α-酮丁酸、4-羟基苯甲酸和D-苹果酸，而晚期演替真菌倾向于更活跃地利用D-半乳糖醛酸、L-丝氨酸和L-苯丙氨酸。以往研究表明，苔藓及其微生物（包括真菌）产生有机酸，苔藓细胞壁含有半乳糖醛酸，且苔藓组织中氨基酸组分在分解过程中下降，这表明羧酸和氨基酸可作为真菌的碳和营养源，真菌在分解苔藓组织中的演替可归因于真菌利用这些化合物的代谢能力差异。未来需研究分解苔藓组织中这些碳源含量的变化模式以确认结论。