热带森林中陆均松属针叶树根相关真菌群落的微生境与宿主特异性及其对持续存在的影响

《Ecology》：Distinct root-associated fungal communities may account for the persistence of Podocarpus conifers in tropical forest

　　

陆均松属（Podocarpaceae）是少数存在于封闭冠层热带森林中的针叶树谱系之一。它们通常具有与养分贫乏位点相关联的高度受限分布。与其他树种不同，其独特的结瘤状结构使其根系易于与共存类群的根系区分。在巴拿马Fortuna地区极度贫瘠的常湿低山森林中，Podocarpus oleifolius的根系分布于三种微生境：土壤中、地表凋落物之上，以及攀爬邻近树木树干的气生根。研究人员通过测序内转录间隔区（ITS），并测定根系养分浓度和磷酸酶活性，研究了微生境如何影响陆均松属根系真菌群落组成。研究人员还将从土壤中采集的陆均松属根系与两种常见共存被子植物Graffenrieda bella和Weinmannia pinnata的根系进行了比较。研究发现，根系微生境解释了根相关真菌群落11%的变异，并影响了根钙、钾和锰浓度。根系真菌多样性、磷酸盐浓度和磷酸酶活性无显著变化。在所有微生境中，真菌目柔膜菌目（Helotiales）占ITS序列读数的50%–60%，而气生根中刺革菌目（Trechisporales）的丰度显著更高。在跨物种比较中，球囊菌门（Glomeromycota）总体检出数量极低（在被子植物中占读数的1.8%–3.3%），在陆均松属中尤其低（占读数的0.14%）。相反，陆均松属中锤舌菌纲（Leotiomycetes）的读数比例高于Graffenrieda和Weinmannia。研究结果强调了在热带山地森林中，根相关真菌群落如何在目水平上随微生境和宿主物种而变化。在持续凉爽、低养分湿润环境中，养分迅速从穿透雨中淋溶，或从分解的有机物质中缓慢矿化，丛枝菌根真菌的替代物可能对植物特别有利。柔膜菌目中的生物营养真菌已涉及高山和北极环境中的养分转移，与刺革菌目一起，可能成为热带地区未被认识的关键互惠共生伙伴。总的来说，这些类群可能解释了陆均松属与低养分山地森林的关联。

论文解读

**研究背景与问题**
陆均松属（Podocarpaceae）是少数能够在郁闭冠层热带森林中存续的针叶树谱系，其起源古老（约2.2亿年前），并在约6000万年前重新拓殖热带森林。与多数热带木本植物不同，陆均松属常局限于养分贫乏的生境，例如新西兰磷匮乏的阶地与冰碛物生境、亚马逊白砂森林以及新热带山地森林中石英质流纹岩土壤。其根系具有独特的结瘤状结构，这一特征与姊妹科南洋杉科（Araucariaceae）共享，但该根瘤的功能长期缺乏公认解释。早期研究认为根瘤可能具有固氮能力，但后续研究未能稳定证明固氮活性。组织学观察曾发现与丛枝菌根（arbuscular mycorrhizal, AM）类群相似的真菌结构，而有限的研究对根瘤中AM真菌多样性的揭示亦不完整。对根瘤的分子鉴定多依赖AM特异性引物，忽略了对非AM真菌群落的全面描述。因此，陆均松属根系相关真菌的整体多样性及其相较于共存被子植物的差异，尤其是在养分极低的热带山地森林中，仍缺乏系统认识。本研究旨在回答以下关键问题：根微生境（土壤、凋落物表面、气生）是否影响根相关真菌群落组成与根系养分特征？陆均松属的根系真菌群落是否与同域分布的常见被子植物存在系统性差异？这些差异是否能解释其与低养分环境的关联？

**研究内容与主要方法**
研究在巴拿马Fortuna森林保护区Chorro流域进行。该地区年降雨量约5500 mm，常年云覆盖，土壤为浅层有机层覆盖的富硅流纹岩凝灰岩，极度贫瘠且N与可交换阳离子含量低。研究对象为分布于该地的陆均松属树种Podocarpus oleifolius，并选取两种常见共存被子植物Weinmannia pinnata（昆诺阿藜科）与Graffenrieda bella（野牡丹科）作为对比。研究人员于2020年2月从5株成年P. oleifolius的三种微生境（土壤、凋落物表面、气生根）采集根样本，并于2016年从同地点的两种被子植物个体（幼苗、幼树、成树）采集土壤根系。主要技术包括：利用真菌ITS2区域（引物fITS7/ITS4）和核糖体大亚基（LSU，引物LR0R-LR3）进行Illumina高通量测序；以DADA2流程处理序列并聚类为操作分类单元（OTU）；使用非度量多维尺度分析（NMDS）和置换多元方差分析（PERMANOVA）比较群落组成；同时测定根系养分浓度（碳、氮、磷、钙、钾、镁、锰、铝）及磷酸单酯酶活性；并利用激光共聚焦显微镜观察真菌定殖结构。

**主要研究结果**

*根微生境对真菌群落与根系功能的影响*
Podocarpus根系（包括根瘤和皮层组织）被真菌结构大量定殖，包括有隔和无隔菌丝、泡囊及丛枝结构。ITS测序共获得18,926,828条序列，对应1384个OTU。凋落物表面根系的OTU丰富度高于土壤根系，气生根居中，但Shannon多样性在三种微生境间无显著差异。微生境显著影响真菌群落组成，解释了11.1%的变异（PERMANOVA，p<0.001），且各微生境两两间均存在显著差异。在所有微生境中，柔膜菌目（Helotiales）占ITS读数的50%–60%，为绝对优势类群；刺革菌目（Trechisporales）在气生根中丰度显著更高（气生根占前四优势目读数的比例可达48%，而土壤根仅为0.3%）。根系养分方面，气生根的钙、钾、镁浓度低于凋落物根和土壤根，土壤根的铝浓度显著高于气生根和凋落物根；但碳氮比、磷浓度以及磷酸酶活性在微生境间无显著差异。

*与共存被子植物根系真菌群落的比较*
利用LSU引物对土壤微生境中的Podocarpus根系与两种被子植物根系进行比较，结果显示宿主物种解释了18.5%的真菌群落组成变异，三种植物两两之间差异均显著。在门水平上，Podocarpus具有显著高于Weinmannia的子囊菌门（Ascomycota）读数比例，担子菌门（Basidiomycota）则较低。球囊菌门（Glomeromycota）在所有物种中检出比例均很低（被子植物中占1.8%–3.3%），而在Podocarpus中仅为0.14%，表明其AM真菌丰度极低。在纲水平上，Podocarpus的锤舌菌纲（Leotiomycetes）读数比例显著高于两种被子植物，而粪壳菌纲（Sordariomycetes）和座囊菌纲（Dothideomycetes）比例较低。具体到目水平，Podocarpus的柔膜菌目读数比例显著高于Graffenrieda。在优势OTU中，一个属于Hyaloscypha属（柔膜菌目）的单一OTU占Podocarpus LSU读数的约21%，但未在另外两种植物中检测到；而不同种Hyaloscypha在被子植物中常见。此外，Weinmannia根中蜡壳耳目（Sebacinales）的读数比例显著更高。研究表明，Podocarpus根系以子囊菌为主，尤其是柔膜菌目中的锤舌菌纲真菌，而AM真菌相对稀少。

**讨论与结论**
研究结果揭示，陆均松属根系真菌群落随微生境和宿主物种在目水平上发生显著变化。气生根和凋落物根并非真菌多样性的贫瘠岛屿，而是具有与土壤根不同的群落组成，尤其是气生根中刺革菌目的富集可能与其独特的养分获取生态位有关。与共生被子植物相比，Podocarpus的AM真菌丰度极低，而柔膜菌目真菌占据主导，这一特征在以往陆均松属研究中未被如此突出地报道。柔膜菌目包含杜鹃花类菌根和部分外生菌根类群，以及暗色隔膜内生真菌，已被证明在北极和高山环境中介导养分转移。在持续寒冷、低养分且有机质矿化缓慢的热带山地森林中，这类生物营养真菌可能替代AM真菌，成为植物获取养分的关键互惠伙伴。研究人员强调，陆均松属与低养分山地森林的关联可能部分归因于其与柔膜菌目和刺革菌目等非AM真菌形成的特殊共生关系，而这类热带森林中的菌根互作网络远比简单的AM-外生菌根二分法复杂。未来需要在更广泛的陆均松属分布区验证这一假说，并探究这些真菌是否普遍存在于养分贫乏的森林生态系统中。这一发现为理解针叶树在热带森林中的持久存续提供了新的菌根生态学视角。