森林植被镶嵌体中空气传播的真菌DNA群落的水平与时间动态变化

《Fungal Ecology》：Horizontal and temporal dynamics of airborne fungal DNA assemblage in a forest vegetation mosaic

　　

摘要

空气中的真菌DNA被用作评估栖息在各种生态系统基质中的真菌多样性的工具。了解空气中的DNA组合的空间动态对于将空气中的DNA组合与当地真菌群落联系起来是必要的。在这项研究中，我们旨在阐明植被（影响当地真菌群落）和空间距离如何塑造空气中的DNA组合的空间结构。在一片约10公里的连续森林景观中，我们选择了三种植被类型的十个样地，并对这些样地中的空气中的DNA组合进行了超过五个月的监测。尽管植被对DNA组合有显著影响，但时间变化超过了空间变化。即使在相距约20米的最近样地之间，也观察到的组合重叠也很少，这表明即使在这样的距离上，真菌的传播也是有限的。通过关注这种异质环境，我们证明了空气中的DNA组合在比以前认为的更小的空间尺度上表现出动态性。

引言

真菌具有重要的生态系统功能（Peay, 2016; Runnel et al., 2025; Treseder and Lennon, 2015a），通过对有机物的分解以及与树木的共生或寄生相互作用，对养分循环、树木生产力及树木死亡率产生根本性影响（Anthony et al., 2022; Attiwill and Adams, 1993; Courty et al., 2010; Das et al., 2016; Peay, 2016; Runnel et al., 2025; Treseder and Lennon, 2015b; Van Nuland et al., 2023）。这种重要性体现在对森林中真菌多样性及其功能的密集研究中（Abrego et al., 2022; Barbi et al., 2025; Khokon et al., 2023; Kubartová et al., 2009; Rudawska et al., 2018; Tedersoo et al., 2012, 2014）。然而，完全理解森林中的真菌多样性具有挑战性，因为真菌可以定殖在任何基质上，包括枯木、土壤和活的植物组织，而这些基质的覆盖需要相当大的努力。

空气中的真菌DNA被用作评估常驻真菌群落多样性的指标，即无论基质类型如何，栖息在某个地点的真菌群落（Abrego et al., 2024, 2020, 2018; Banchi et al., 2018, 2020; Larsson et al., 2025; Rosa et al., 2021; Runnel et al., 2024; Schlegel et al., 2024）。大多数真菌会向空气中释放繁殖体。因此，空气收集了关于栖息在不同基质上的真菌的信息。由于DNA测序技术的发展，描述空气中的真菌组合比传统的基于形态学的方法更加容易（Banchi et al., 2018; Pashley et al., 2012; Tordoni et al., 2021），空气中的真菌DNA的实用性在各种研究中被探索（Abrego et al., 2018; Banchi et al., 2018, 2020; Runnel et al., 2024）。

将空气中的真菌DNA解释为当地真菌多样性的指标，需要理解空气中的真菌DNA组合是如何在空间和时间上形成的。空气中的真菌DNA组合不仅受当地真菌多样性的影响，还受到真菌繁殖体通过空气传播的影响。为了理解这些过程如何塑造空气中的DNA组合，我们首先需要了解其时空动态。到目前为止，已经描述了空气中的真菌DNA组合的季节性（Abrego et al., 2018, 2024; Larsson et al., 2025）、垂直（Abrego et al., 2018; Bangay et al., 2025; Cornell et al., 2026; Maki et al., 2023）和水平（Abrego et al., 2018, 2020）结构。

尽管进行了这些研究，我们对水平动态及其形成过程的了解仍然有限。水平结构由局部真菌DNA的输入和随后通过空气的粒子传输之间的平衡决定（图1）。真菌繁殖体可以传输数千米（Peay et al., 2012; Schlegel et al., 2024; Vincenot and Selosse, 2017），可能导致空气中的真菌DNA组合在空间上趋于均匀。相比之下，局部真菌DNA的输入可能表现出反映环境异质性的空间结构，因为真菌群落经常根据环境条件发生变化（Odriozola et al., 2024; ?tursová et al., 2016）。因此，空气中的真菌DNA组合的水平结构可能会根据环境异质性的程度而变化。实际上，在一个森林地区，Abrego等人（2018）报告说在10公里范围内DNA组合相当均匀，而在森林-城市边界处，即使在1公里的范围内，组合也会发生变化（Abrego et al., 2020）。

阐明环境异质性与空气中的真菌DNA组合之间的对应关系可以提高我们对空气中的真菌DNA组合如何形成的理解，但在森林生态系统中评估这一问题的研究仍然有限。在森林生态系统中，真菌群落组成可以从几米到几公里不等，受到植被的影响（Bahnmann et al., 2018; Matsuoka et al., 2020; Nagati et al., 2018; Odriozola et al., 2024）。因此，空气中的真菌DNA组合也可能在相似的空间尺度上因植被而异。然而，空气中的真菌DNA组合是否表现出反映森林内部环境异质性的水平异质性尚不清楚。

在本研究中，为了阐明局部环境条件和空间距离如何塑造空气中的真菌DNA组合的水平结构，我们描述了在一个植被镶嵌的连续森林景观中空气中的真菌DNA组合的水平结构。在大约10公里的区域内，我们在三种不同的植被类型中建立了十个采样点。此外，为了推断水平变化相对于时间变化的程度，我们描述了这些点上空气中的真菌DNA组合在5个月内的时间变化。根据获得的组合数据，我们测试了以下两个问题：1）空气中的真菌DNA组合主要受植被、空间距离还是时间的影响？2）当存在环境异质性时，空气中的真菌DNA组合是否会在几十米的距离上发生变化？

部分摘录

研究地点和采样设计

本研究是在位于日本北海道东部的京都大学野外科学教育与研究中心Hokkaido森林研究站的Shibecha分站进行的（北纬43°220′，东经144°370′，海拔约25–150米）。30年的平均年度温度和降水量分别为6.3°C和1188.7毫米（1986–2015年，记录于北纬43°190′，东经144°360′）。研究地点的自然植被是主要由Quercus crispula、Fraxinus mandshurica组成的阔叶落叶林

检索到的真菌分类单元概述

在68个样本中，共检索到616个OTU（操作分类单元）。这些616个OTU包括371个Basidiomycota OTU、238个Ascomycota OTU、1个Mortierellomycota OTU，以及6个在门水平上无法鉴定的OTU。在目水平上，检索到的OTU被分类为56个目，其中Polyporales（82个OTU，占总OTU的13.3%）、Agaricales（76个OTU，12.3%）和Pleosporales（53个OTU，8.6%）是OTU丰富的（图3a和S1）。当关注功能群体时，木材腐生菌是

讨论

在本研究中，空气中的真菌DNA组合主要受时间的影响，其次是植被。我们的结果表明时间动态对空气中的真菌DNA组合有显著影响，同时也表明即使是在10公里的距离内，环境异质性也会产生组成差异。这种时间和空间的变化体现在不同样地或采样事件之间共享的OTU数量有限。特别是OTU的共享有限

CRediT作者贡献声明

Yoriko Sugiyama：撰写——原始草稿、可视化、验证、监督、软件、资源、项目管理、方法论、调查、资金获取、正式分析、数据管理、概念化。Shunsuke Matsuoka：撰写——审稿与编辑、调查、资金获取。

写作过程中生成式AI和AI辅助技术的声明

在准备这项工作期间，作者使用了Chat-GPT来协助英文编辑。使用该工具/服务后，作者根据需要审查和编辑了内容，并对出版物的内容负全责。

利益冲突声明

作者声明他们没有任何已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。

致谢

我们感谢京都大学野外科学教育与研究中心Hokkaido森林研究所的工作人员在野外工作中的协助。本研究得到了日本学术振兴会（JSPS）对Y.S.（24K17924）和S.M.（24K01781）的财政支持。

Yoriko Sugiyama|Shunsuke Matsuoka