柳葉 任悅 高廣磊,2,3,? 丁國(guó)棟,2,3 張英,2,3 趙珮杉 王家源

北京大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版) 第59卷 第3期 2023年5月

Acta Scientiarum Naturalium Universitatis Pekinensis, Vol. 59, No. 3 (May 2023)

10.13209/j.0479-8023.2023.031

內(nèi)蒙古自治區(qū)科技計(jì)劃項(xiàng)目(2022YFHH0131)和中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)項(xiàng)目(2021ZY47)資助

2022–05–06;

2022–07–14

毛烏素沙地樟子松人工林根內(nèi)真菌網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)特征及其對(duì)氣候因子的響應(yīng)

柳葉1任悅1高廣磊1,2,3,?丁國(guó)棟1,2,3張英1,2,3趙珮杉1王家源1

1.北京林業(yè)大學(xué)水土保持學(xué)院, 林業(yè)生態(tài)工程教育部工程研究中心, 北京 100083; 2.寧夏鹽池毛烏素沙地生態(tài)系統(tǒng)國(guó)家定位觀測(cè)研究站, 鹽池 751500; 3.水土保持國(guó)家林業(yè)和草原局重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京林業(yè)大學(xué), 北京 100083; ?通信作者, E-mail: gaoguanglei@bjfu.edu.cn

為揭示樟子松人工林根內(nèi)真菌群落相互關(guān)系的動(dòng)態(tài)特征, 以毛烏素沙地樟子松人工林為研究對(duì)象, 采用生態(tài)網(wǎng)絡(luò)分析法, 分析不同林齡(中齡、近熟和成熟)及其年內(nèi)生長(zhǎng)階段(生長(zhǎng)季初期、旺盛期和末期)樟子松根內(nèi)真菌群落共現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)特征及其對(duì)氣候因子的響應(yīng), 得到如下結(jié)果。1)在不同林齡階段, 樟子松人工林根內(nèi)真菌共現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)差異不明顯; 在不同生長(zhǎng)季階段, 根內(nèi)真菌共現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)差異明顯, 生長(zhǎng)季旺盛期, 根內(nèi)真菌共現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)較為復(fù)雜。2)在不同林齡和不同生長(zhǎng)季階段, 樟子松人工林根內(nèi)真菌關(guān)鍵類群差異明顯, 主要包括地孔菌屬()、棉革菌屬()、暗球腔菌屬()、和被孢霉屬()等。生長(zhǎng)季初期和末期關(guān)鍵類群為外生菌根真菌和腐生真菌, 旺盛期為腐生真菌和病原真菌。中齡林關(guān)鍵類群為腐生真菌和病原真菌, 成熟林為外生菌根真菌和腐生真菌。3)外生菌根真菌網(wǎng)絡(luò)的主要影響因子為相對(duì)濕度(<0.05), 腐生真菌和病原真菌網(wǎng)絡(luò)的主要影響因子為平均降水量和相對(duì)濕度。因此, 毛烏素沙地樟子松人工林根內(nèi)真菌網(wǎng)絡(luò)在不同生長(zhǎng)季階段的動(dòng)態(tài)變化強(qiáng)于不同林齡階段, 且生長(zhǎng)季旺盛期共現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)較復(fù)雜; 根內(nèi)真菌網(wǎng)絡(luò)主要受平均降水量和相對(duì)濕度影響。腐生真菌對(duì)維持不同林齡和不同生長(zhǎng)季階段真菌網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性均有重要作用, 在較大降水量和濕度的生長(zhǎng)季旺盛期, 關(guān)鍵類群為腐生真菌和病原真菌, 對(duì)樟子松的生長(zhǎng)和健康狀況有著潛在的影響。

沙生植物; 林齡; 生長(zhǎng)季; 土壤真菌; 共現(xiàn)網(wǎng)絡(luò); 氣候因子

根內(nèi)真菌廣泛定殖于植物根系中, 直接或間接地影響著植物對(duì)水分和養(yǎng)分的吸收[1], 與寄主植物生長(zhǎng)和健康狀況密切相關(guān)。其中, 外生菌根真菌通過(guò)寄主的光合作用獲得并固定碳, 作為交換, 為寄主提供磷、氮、鉀等礦物質(zhì)營(yíng)養(yǎng)和生長(zhǎng)素等代謝產(chǎn)物, 增強(qiáng)植物抗逆性[2]; 病原真菌通過(guò)感染植物組織抑制其生長(zhǎng)繁殖, 誘發(fā)植物病害, 造成寄主植物死亡[3]; 腐生真菌則可以通過(guò)分泌胞外酶, 分解利用有機(jī)質(zhì), 抑制病原真菌生長(zhǎng)[4]。長(zhǎng)期以來(lái), 對(duì)根內(nèi)真菌群落結(jié)構(gòu)的研究多集中于物種豐富度和多樣性等方面[5–6], 研究成果對(duì)全面認(rèn)識(shí)理解根內(nèi)真菌群落結(jié)構(gòu), 服務(wù)解析根內(nèi)真菌生態(tài)功能具有重要意義[7]。但是, 根內(nèi)真菌群落結(jié)構(gòu)復(fù)雜, 不同真菌之間存在積極的合作關(guān)系、消極的競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系或中性相互作用[8]。根內(nèi)真菌的相互作用對(duì)生態(tài)系統(tǒng)功能的影響可能比物種豐富度和多樣性更重要, 且這種相互作用存在較強(qiáng)的環(huán)境敏感性和異質(zhì)性[9]。

在森林生態(tài)系統(tǒng)中, 林木生長(zhǎng)和氣候與根內(nèi)真菌相互作用存在密切聯(lián)系。在不同林齡階段, 林木有著不同的養(yǎng)分需求, 可直接或間接地對(duì)根內(nèi)真菌群落進(jìn)行招募, 進(jìn)而選擇性地調(diào)節(jié)根內(nèi)真菌之間的相互作用, 塑造與之相適應(yīng)的根內(nèi)真菌群落網(wǎng)絡(luò)[10]。在不同生長(zhǎng)季階段, 林木生長(zhǎng)主要受溫度和降水的調(diào)控[11]。一般來(lái)說(shuō), 溫度變化導(dǎo)致微生物類群的選擇性生長(zhǎng), 改變根內(nèi)真菌之間的相互作用[12]; 降水則直接改變土壤含水量, 根內(nèi)真菌對(duì)土壤水勢(shì)的耐受性或敏感度也不同, 會(huì)影響菌絲獲取水分的能力, 也為其相互作用創(chuàng)造了更多的途徑和機(jī)會(huì)[13–14]。因此, 研究林木生長(zhǎng)和氣候因子對(duì)根內(nèi)真菌互作的影響, 有助于深入理解氣候變化背景下林木根內(nèi)真菌網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)態(tài)特征和生態(tài)功能。

長(zhǎng)期以來(lái), 測(cè)試和分析手段的局限導(dǎo)致對(duì)根內(nèi)真菌相互作用的認(rèn)識(shí)和理解較為薄弱。表征和分析土壤微生物相互作用方法的不斷更新, 為認(rèn)識(shí)土壤與微生物的相互關(guān)系提供了有力的武器[15]。其中, 生態(tài)網(wǎng)絡(luò)分析法以隨機(jī)矩陣?yán)碚摓榛A(chǔ), 具有較高的可靠性和敏感性, 可用于高通量數(shù)據(jù)的模塊化網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建和功能預(yù)測(cè)[5], 目前, 已在復(fù)雜的森林生態(tài)系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用, 成為揭示土壤微生物在微生境中的共現(xiàn)關(guān)系及主要影響因素的重要途經(jīng), 對(duì)深入認(rèn)識(shí)和理解根內(nèi)真菌群落的生態(tài)功能和穩(wěn)定性有重要意義[16]。

樟子松(var.)耐寒, 耐旱, 耐貧瘠, 是我國(guó)北方干旱半干旱地區(qū)防沙治沙和水土保持工作的重要綠化造林樹(shù)種[17], 也是典型的菌根依賴型樹(shù)種, 其生長(zhǎng)發(fā)育受根內(nèi)真菌群落復(fù)雜相互作用的影響[18]。鑒于此, 本文以毛烏素沙地樟子松人工林為研究對(duì)象, 采用生態(tài)網(wǎng)絡(luò)分析法, 研究不同林齡及其年內(nèi)生長(zhǎng)階段, 樟子松人工林根內(nèi)真菌群落共現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)態(tài)特征及其對(duì)氣候因子的響應(yīng), 以期深入理解樟子松人工林根內(nèi)真菌群落的相互關(guān)系, 并為樟子松人工林可持續(xù)經(jīng)營(yíng)管理提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于陜西省榆林市紅石峽沙地植物園, 地處毛烏素沙地東南部(38°26′N, 109°12′E), 海拔1080m。該地處于半干旱區(qū), 具有暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候特點(diǎn), 干燥多風(fēng), 冬春季節(jié)風(fēng)沙較大, 降水量年際變化率大。年均溫度為 9.1°C, 年均日照時(shí)數(shù)為 2914 小時(shí), 年均降水量為 365.7mm, 年均蒸發(fā)量為 2502mm。土壤類型為風(fēng)沙土, 通透性好, 保水性差, 較貧瘠, 表土結(jié)構(gòu)疏松, 有機(jī)質(zhì)含量低。優(yōu)勢(shì)植物種主要有樟子松、蒙古冰草()、紫穗槐()和花棒()等[19]。

1.2 樣品采集與處理

2018 年, 選取立地條件和管理措施相同的中齡林(27a)、近熟林(33a)和成熟林(44a)樟子松人工林作為試驗(yàn)樣地, 分別隨機(jī)布設(shè) 50m×50m 樣方, 每木檢尺后分別在各樣方中選取 5 株間距至少為 10m的健康標(biāo)準(zhǔn)木(表 1)。在樟子松生長(zhǎng)季初期(4—6月)、旺盛期(7—8 月)和末期(9 月)分別采集樣品(表2), 鏟去樹(shù)木基部半徑 1～2m 內(nèi)的地表凋落物后, 沿樹(shù)干根部挖至根的末級(jí), 剔除雜草和其他植物根系, 采集直徑小于 2mm 的新鮮細(xì)根樣品。每株標(biāo)準(zhǔn)木隨機(jī)采集 3 個(gè)重復(fù)樣本, 并將其充分混合為1 個(gè)樣品。細(xì)根樣品配以少量土壤保鮮, 裝入塑封袋, 保存于–4°C 移動(dòng)冰箱中, 帶回實(shí)驗(yàn)室后–80°C冷凍保存[20]。

表1 毛烏素沙地樟子松人工林樣地概況

說(shuō)明: MUh, MUn 和 Mum 分別表示中齡林、近熟林和成熟林, 下同。

表2 毛烏素沙地樟子松人工林氣候

1.3 真菌分子生物學(xué)鑒定

取出細(xì)根樣品, 并用蒸餾水小心清洗其表面土壤顆粒和雜物。清洗干凈后, 將細(xì)根剪成 10cm 的根段, 置于盛有蒸餾水的培養(yǎng)皿中。將根尖端末級(jí)根剪下后, 加入液氮, 在研缽中研磨破碎 DNA, 使用 PowerSoil?DNA 試劑盒(MO BIO公司)提取樣品中的 DNA, 利用 1%瓊脂糖凝膠電泳檢測(cè)抽提的基因組 DNA。采用 PCR 對(duì)根內(nèi)真菌的 rDNA ITS 區(qū)進(jìn)行擴(kuò)增, 真菌通用引物為 ITS1F (5′-CTTGGTCATT TAGAGGAAGTAA-3′)和 ITS2 (5′-GCTGCGTTCTT CATCGATGC-3′), 每個(gè)樣本重復(fù) 3 次。PCR 擴(kuò)增試驗(yàn)采用 25μL 的反應(yīng)體系: KAPA 2G Robust HotStart ReadyMix 12.5μL, 引物 ITS1 (5μmol/L) 1μL, 引物ITS2 (5μmol/L) 1μL, 模板 DNA 5μL (30ng), ddH2O補(bǔ)足至 25μL。PCR 反應(yīng)條件如下: 95°C 5min; 95°C 45s, 55°C 50s, 72°C 45s, 28 個(gè)循環(huán); 72°C 10min?；旌?PCR 產(chǎn)物后, 采用瓊脂糖(質(zhì)量分?jǐn)?shù) 2%)凝膠電泳檢測(cè), 選用 AxyPrepDNA 凝膠試劑盒切膠回收PCR 產(chǎn)物, 采用 Tris-HCl 緩沖液(0.05mol/L, 25°C)洗脫后, 用瓊脂糖(質(zhì)量分?jǐn)?shù) 2%)電泳檢測(cè)。檢測(cè)合格的 PCR 產(chǎn)物用于 MiSeq 上機(jī)測(cè)序。測(cè)序工作由北京奧維森生物科技有限公司協(xié)助完成。

基于 NCBI 數(shù)據(jù)庫(kù), 采用 BLAST 方法, 對(duì)比分析 I 代表序列。如果對(duì)比相似率≥97%, 則可鑒定到種水平, 如果相似率為 90%～97%, 則可鑒定到屬水平。通過(guò) FUNGuild 平臺(tái)(http://www.stbates.org/gui-lds/app.php), 將樟子松人工林根內(nèi)真菌劃分為不同的營(yíng)養(yǎng)型和功能群。結(jié)果數(shù)據(jù)僅保留置信度為“很可能” (Probable)和“極可能” (Highly probable)的OTUs 及其類別。

1.4 生態(tài)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建

利用高通量測(cè)序獲得的 OTUs 數(shù)據(jù), 對(duì)不同林齡(中齡、近熟和成熟)及其年內(nèi)生長(zhǎng)階段(生長(zhǎng)季初期、旺盛期和末期)分別整合數(shù)據(jù), 進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)分析。采用 Pearson 相關(guān)性分析法, 分析各 OTU 間的相關(guān)性, 篩選并保留<0.05 的 OTU, 并采用 Gephi 9.0 軟件進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建, 獲取網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涮卣鲄?shù)。使用 Maslov-Sneppen 方法進(jìn)行隨機(jī)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建, 在不改變?cè)芯W(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)和連線數(shù)的基礎(chǔ)上, 重新連接原網(wǎng)絡(luò)中不同位置的節(jié)點(diǎn), 并構(gòu)建 1000 次隨機(jī)網(wǎng)絡(luò), 比較分子生態(tài)網(wǎng)絡(luò)與隨機(jī)網(wǎng)絡(luò)之間的差別。根據(jù)節(jié)點(diǎn)的模塊內(nèi)連通性(Z)和模塊間連通性(P), 將網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)的模塊角色分為 4 種類型, 分別是模塊樞紐(module hubs)、連接器(connectors)、網(wǎng)絡(luò)樞紐(network hubs)以及外圍節(jié)點(diǎn)(peripherals)。Z和P表征節(jié)點(diǎn)作用, 一般將Z≥2.5 或P≥0.62 的節(jié)點(diǎn)定為關(guān)鍵物種。因此, 落在模塊樞紐、網(wǎng)絡(luò)樞紐和連接器的節(jié)點(diǎn)在模塊間及各自模塊內(nèi)起重要作用。

1.5 數(shù)據(jù)處理與分析

氣象數(shù)據(jù)來(lái)自中國(guó)氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)。使用 R 4.0.3進(jìn)行 Mantel 分析。使用 SPSS 26, 通過(guò)單因素方差分析法, 分析真菌群落多樣性指數(shù)以及網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)差異的顯著性。使用 Origin 2018 軟件和 R 4.0.3 繪圖, Gephi 9.0和 Cytoscape 3.9.0 軟件對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行可視化處理。

2 結(jié)果與分析

2.1 樟子松林根內(nèi)真菌群落網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)

如表 3 所示, 毛烏素沙地樟子松人工林根內(nèi)真菌群落經(jīng)驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)模塊化指數(shù)、平均路徑長(zhǎng)和平均聚類系數(shù)均大于隨機(jī)網(wǎng)絡(luò)的相應(yīng)數(shù)值, 符合網(wǎng)絡(luò)特征。在不同林齡階段, 共現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)差異不明顯; 在不同生長(zhǎng)季階段, 根內(nèi)真菌群落共現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)存在明顯差異(表 3, 圖 1 和 2)。生長(zhǎng)季旺盛期節(jié)點(diǎn)數(shù)和邊數(shù)明顯高于生長(zhǎng)季初期和末期, 平均路徑長(zhǎng)度最小, 但平均度最高。除生長(zhǎng)季初期外, 各 OTU 之間均出現(xiàn)負(fù)相關(guān), 但各林齡和生長(zhǎng)季呈正相關(guān)的比例均高于呈負(fù)相關(guān)的比例。此外, 不同林齡階段, 外生菌根真菌、腐生真菌和病原真菌的數(shù)量變化不明顯, 在不同生長(zhǎng)季階段, 3 類功能群數(shù)量均先增大后減小, 生長(zhǎng)季旺盛期達(dá)到最大值。

2.2 樟子松林根內(nèi)真菌模塊屬性和關(guān)鍵物種

如圖 3 所示, 毛烏素沙地不同林齡樟子松根內(nèi)真菌群落網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)落于連接器和模塊樞紐區(qū)域, 近熟林和成熟林模塊樞紐節(jié)點(diǎn)分別為 2 和 5 個(gè) OTU, 中齡林均為連接器節(jié)點(diǎn), 無(wú)模塊樞紐節(jié)點(diǎn)。不同生長(zhǎng)季均無(wú)模塊樞紐和網(wǎng)絡(luò)樞紐節(jié)點(diǎn), 起重要作用的節(jié)點(diǎn)均落于連接器區(qū)域。生長(zhǎng)季內(nèi)各月連接器節(jié)點(diǎn)OTU 分別為 14, 21, 35, 74, 38 和 38 個(gè), 生長(zhǎng)季旺盛期位于連接器區(qū)域的 OTU 數(shù)量和屬數(shù)量達(dá)到最高值(圖 4)。

表3 毛烏素沙地樟子松人工林根內(nèi)真菌群落的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涮卣?/p>

節(jié)點(diǎn)大小表示中介中心性大小, 下同

圖2 毛烏素沙地不同月份樟子松人工林根內(nèi)真菌群落共現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)

選擇根內(nèi)真菌網(wǎng)絡(luò)中介中心排前 10 位的 OTU, 并結(jié)合節(jié)點(diǎn)拓?fù)浣巧? 篩選在根內(nèi)真菌網(wǎng)絡(luò)中起重要作用的關(guān)鍵菌種(表 4)。其中, 生長(zhǎng)季初期共有12 個(gè)關(guān)鍵屬, 主要為外生菌根真菌, 包括地孔菌屬()和棉革菌屬()等; 生長(zhǎng)季旺盛期共有 8 個(gè)關(guān)鍵屬, 主要為腐生真菌和病原真菌, 包括暗球腔菌屬()、、被孢霉屬()、籃狀菌屬()、紅酵母屬()以及新麗鞭菌屬(); 生長(zhǎng)季末期共有 8 個(gè)關(guān)鍵屬, 主要為腐生真菌, 包括地孔菌屬和籃狀菌屬等。近熟林中未篩選出共有屬; 中齡林共有 2 個(gè)關(guān)鍵屬, 分別是-和瓶毛殼屬(); 成熟林共有3 個(gè)共有屬, 分別是塊菌屬()、籃狀菌屬和被孢霉屬。

圖3 毛烏素沙地不同林齡樟子松人工林根內(nèi)真菌拓?fù)浣巧?/p>

表4 毛烏素沙地樟子松人工林根內(nèi)真菌關(guān)鍵菌種

圖4 毛烏素沙地不同月份樟子松人工林根內(nèi)真菌拓?fù)浣巧?/p>

虛線表示相關(guān)性不顯著。AT:氣溫; GT:地溫; AP:降水; RH:相對(duì)濕度

2.3 氣候?qū)φ磷铀筛鶅?nèi)真菌網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的影響

選擇樟子松根內(nèi)真菌網(wǎng)絡(luò)中介中心性最高的 20 個(gè) OTU, 與氣象因子建立網(wǎng)絡(luò)關(guān)系(圖 5), 可以看出, 氣溫和地溫均顯著地影響腐生真菌 OTU2501, 平均降水量和相對(duì)濕度在網(wǎng)絡(luò)中與 OTU 有最多的顯著相關(guān)關(guān)系(<0.05)。將不同功能群的根內(nèi)真菌與環(huán)境因子 Mantel 進(jìn)行檢驗(yàn)(表 5), 可以發(fā)現(xiàn), 總網(wǎng)絡(luò)與相對(duì)濕度呈極顯著相關(guān)(<0.01)。平均降水量顯著地影響腐生真菌網(wǎng)絡(luò)和病原真菌網(wǎng)絡(luò), 相對(duì)濕度顯著地影響外生菌根真菌網(wǎng)絡(luò)和病原真菌網(wǎng)絡(luò)(<0.05), 并與腐生真菌網(wǎng)絡(luò)極顯著相關(guān)(<0.01)。

3 討論

3.1 樟子松根內(nèi)真菌群落共現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)特征

毛烏素沙地樟子松人工林根內(nèi)真菌群落網(wǎng)絡(luò)隨林齡的增加變化不明顯, 可能是宿主根系分泌物招募策略和土壤生境的改變導(dǎo)致群落網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建的動(dòng)態(tài)變化[21]。不同生長(zhǎng)季階段則存在明顯的差異, 氣候的季節(jié)性變化更強(qiáng)烈地影響根內(nèi)真菌網(wǎng)絡(luò)。樟子松人工林根內(nèi)真菌群落網(wǎng)絡(luò)在生長(zhǎng)季初期和末期的節(jié)點(diǎn)數(shù)和邊數(shù)明顯低于生長(zhǎng)季旺盛期, 網(wǎng)絡(luò)更加簡(jiǎn)單, 物種之間孤立, 可能是由于水分和養(yǎng)分的可利用性降低, 造成資源限制增強(qiáng), 導(dǎo)致微生物多樣性和網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜性降低[22]。腐生真菌和病原真菌的豐度在生長(zhǎng)季旺盛期達(dá)到最大值, 遠(yuǎn)高于外生菌根真菌, 樟子松易受植物病害[23]。

表5 毛烏素沙地樟子松人工林根內(nèi)真菌網(wǎng)絡(luò)與氣候因子中介中心性的Mantel檢驗(yàn)結(jié)果

說(shuō)明: *<0.05, **<0.01。

本研究中, 不同林齡和不同生長(zhǎng)季階段共現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的正相關(guān)性均多于負(fù)相關(guān)性, 物種之間合作與生態(tài)位重疊, 與前人對(duì)樟子松林土壤微生物群落的研究結(jié)果[24]一致。樟子松人工林根內(nèi)真菌群落以協(xié)同合作為主, 競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系較弱, 主要通過(guò)物種間的合作來(lái)抵抗干旱半干旱地區(qū)較為惡劣的環(huán)境條件[14,25]。此外, 生長(zhǎng)季旺盛期負(fù)相關(guān)最多, 競(jìng)爭(zhēng)加強(qiáng), 主要原因是此階段病原真菌的增多及其活性的增強(qiáng), 外生菌根真菌和腐生真菌對(duì)病原真菌直接或間接的拮抗作用也相應(yīng)地增強(qiáng)[18]。

3.2 樟子松根內(nèi)真菌群落網(wǎng)絡(luò)對(duì)氣候的響應(yīng)

平均降水量和相對(duì)濕度是影響毛烏素沙地樟子松林根內(nèi)真菌群落網(wǎng)絡(luò)的主要因素。真菌網(wǎng)絡(luò)對(duì)降水的季節(jié)性變化敏感, 這與亞熱帶森林土壤真菌網(wǎng)絡(luò)的研究結(jié)果[13]一致。7—8 月, 毛烏素沙地降水比其他月份多, 利于植物生長(zhǎng), 是樟子松的生長(zhǎng)季旺盛期。降水增加了土壤含水量, 導(dǎo)致土壤相通過(guò)液壓連接變得更緊密, 生態(tài)位分化較弱, 進(jìn)而增強(qiáng)了生長(zhǎng)季旺盛期的樟子松外生菌根真菌、腐生真菌和病原真菌之間的相互作用, 根內(nèi)真菌網(wǎng)絡(luò)比其他時(shí)期更加復(fù)雜[26]。樟子松生長(zhǎng)季初期和末期, 毛烏素沙地降水量小, 根內(nèi)真菌群落則需要通過(guò)更多的正相互作用來(lái)緩解環(huán)境的脅迫, 同時(shí)擴(kuò)大自己的生態(tài)位, 以便更好地獲取資源[27]。此外, 本研究中樟子松根內(nèi)真菌群落網(wǎng)絡(luò)與相對(duì)濕度顯著相關(guān)(<0.05)。相對(duì)濕度受溫度和降水共同調(diào)控, 在較溫暖的環(huán)境中, 微生物分類群之間的相互作用相應(yīng)地增強(qiáng)[28]。毛烏素沙地 7—8 月相對(duì)濕度較高, 促進(jìn)樟子松氣孔張開(kāi), 且多數(shù)腐生真菌更偏好濕潤(rùn)環(huán)境, 根內(nèi)真菌群落增強(qiáng)相互作用, 以便對(duì)植物養(yǎng)分的利用[29–30]。同時(shí), 根內(nèi)真菌生物量、多樣性以及土壤養(yǎng)分隨之增加, 為相互作用提供更多的機(jī)會(huì)。

3.3 樟子松根內(nèi)真菌潛在生態(tài)功能

在不同林齡和生長(zhǎng)季階段, 樟子松根內(nèi)真菌關(guān)鍵菌種存在動(dòng)態(tài)變化, 關(guān)鍵種群在維持網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性中發(fā)揮重要作用, 與群落的功能密切聯(lián)系[31]。隨著生長(zhǎng)季的推移, 主要營(yíng)養(yǎng)型由外生菌根真菌變?yōu)楦婢?。生長(zhǎng)季初期, 與菌根共生的樟子松向根外釋放的碳源大部分優(yōu)先分配給菌根真菌, 外生菌根真菌促進(jìn)樟子松吸收養(yǎng)分和水分, 成為主要關(guān)鍵菌種[32]。地孔菌屬和棉革菌屬是針葉林中常見(jiàn)且占主導(dǎo)地位的外生菌根真菌類群, 能高度適應(yīng)鹽堿干旱環(huán)境[33]。生長(zhǎng)季末期, 凋落物、動(dòng)植物殘?bào)w的增加促使作為分解者的腐生真菌成為主要關(guān)鍵菌種。生長(zhǎng)季旺盛期, 樟子松根內(nèi)真菌網(wǎng)絡(luò)更加復(fù)雜, 關(guān)鍵菌種在生長(zhǎng)季旺盛期的作用便顯得尤為重要。

生長(zhǎng)季旺盛期, 樟子松根內(nèi)真菌群落網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵菌種在網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)數(shù)較少, 且相對(duì)豐度低, 表明稀有類群在樟子松根內(nèi)真菌群落中也可能發(fā)揮關(guān)鍵作用。營(yíng)養(yǎng)型為腐生真菌和病原真菌, 其中暗球腔菌屬常腐生于單子葉植物的枯死莖或其他木材上, 此外, 暗球腔菌屬也有潛在的病原性, 作為有效的生防菌, 對(duì)馬唐()具有強(qiáng)致病性[34]; 籃狀菌是適應(yīng)性非常強(qiáng)的腐生真菌, 可幫助植物抑制病原真菌, 如黃色籃狀菌()對(duì)尖孢鐮刀菌()等病原真菌有拮抗作用[35]; 紅酵母屬多被認(rèn)為是一種拮抗酵母菌, 可與病原真菌競(jìng)爭(zhēng)植物表面營(yíng)養(yǎng)及侵染位點(diǎn), 形成保護(hù)屏障, 或與病原真菌競(jìng)爭(zhēng)空間條件, 達(dá)到抑制病害的目的[36]。被孢霉屬是絲狀腐生真菌, 可產(chǎn)生多種不飽和脂肪酸, 對(duì)某些病原真菌有抑制作用[37]。值得注意的是,大部分為致病菌或植物寄生菌, 易引發(fā)葉斑病等植物病害, 然而在樟子松根內(nèi)真菌網(wǎng)絡(luò)中, 它作為關(guān)鍵菌種, 與其他根內(nèi)真菌并不存在競(jìng)爭(zhēng)或拮抗關(guān)系, 可能是由于氣候環(huán)境的改變,表現(xiàn)出不同的生存策略, 以腐生的營(yíng)養(yǎng)方式生活[38–39]。此外, 磷是沙地樟子松林生長(zhǎng)的重要限制因子, 植物根部只能吸收可溶性磷, 而被孢霉是一種解磷真菌, 更具侵染繁殖優(yōu)勢(shì), 前人對(duì)施用磷肥后砂姜黑土真菌的研究結(jié)果也表明, 腐生真菌具有較高的競(jìng)爭(zhēng)力, 可以滿足不同生態(tài)位的真菌生長(zhǎng)[19,40]。

在針葉樹(shù)種凋落物分解過(guò)程中, 真菌群落需面對(duì)更多的根系分泌物以及含量較高且難分解的半乳甘露聚糖, 因此在不同林齡和生長(zhǎng)季階段, 腐生真菌在土壤中具有較高的競(jìng)爭(zhēng)力, 對(duì)維持真菌網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性均有重要作用[29]。樟子松在中齡林階段即處于快速生長(zhǎng)時(shí)期, 凋落物和根系分泌物的輸入量隨著林齡的增加而增加, 因此腐生真菌發(fā)揮著關(guān)鍵作用[19]。在生長(zhǎng)季旺盛期, 有益的腐生真菌作為關(guān)鍵類群, 在復(fù)雜的真菌網(wǎng)絡(luò)中起著關(guān)鍵作用, 通過(guò)誘導(dǎo)樟子松免疫、分泌抗生素或與病原真菌競(jìng)爭(zhēng)資源來(lái)促進(jìn)樟子松健康生長(zhǎng)[41]。

4 結(jié)論

1)毛烏素沙地不同林齡階段樟子松人工林根內(nèi)真菌群落共現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)不存在明顯的差異; 隨著生長(zhǎng)季推移, 根內(nèi)真菌共現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)存在明顯的差異, 根內(nèi)真菌群落的相互作用先增強(qiáng)后減弱。毛烏素沙地樟子松人工林根內(nèi)真菌以協(xié)同合作為主, 生長(zhǎng)季旺盛期網(wǎng)絡(luò)比其他生長(zhǎng)季階段更加復(fù)雜。

2)樟子松中齡林的關(guān)鍵類群為腐生真菌和病原真菌, 成熟林為外生菌根真菌和腐生真菌。生長(zhǎng)季初期和末期的關(guān)鍵類群為外生菌根真菌和腐生真菌, 生長(zhǎng)季旺盛期的關(guān)鍵類群為腐生真菌和病原真菌。在不同林齡和不同生長(zhǎng)季階段, 關(guān)鍵菌種主要為地孔菌屬、棉革菌屬、暗球腔菌屬、和被孢霉屬等。

3)樟子松人工林根內(nèi)真菌群落網(wǎng)絡(luò)的影響因子為相對(duì)濕度, 外生菌根真菌受相對(duì)濕度影響, 腐生真菌網(wǎng)絡(luò)和病原真菌網(wǎng)絡(luò)受平均降水量和相對(duì)濕度影響。較高降水量和濕度的生長(zhǎng)季旺盛期, 關(guān)鍵類群為腐生真菌和病原真菌, 對(duì)樟子松的生長(zhǎng)和健康狀況有著潛在的影響。

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Network Features of Root-Associated Fungi ofvar.Plantations and Response to Climate Factors in the Mu Us Desert

LIU Ye1, REN Yue1, GAO Guanglei1,2,3,?, DING Guodong1,2,3, ZHANG Ying1,2,3, ZHAO Peishan1, WANG Jiayuan1

1. School of Soil and Water Conservation, Beijing Forestry University, Engineering Research Center of Forestry Ecological Engineering (MOE), Beijing 100083; 2. Yanchi Ecology Research Station of the Mu Us Desert, Yanchi 751500; 3. Key Laboratory of State Forestry and Grassland Administration on Soil and Water Conservation, Beijing Forestry University, Beijing 100083; ? Corresponding author, E-mail: gaoguanglei@bjfu.edu.cn

To reveal the dynamic characteristics of root-associated fungal communities ofplantation, the co-occurrence network of root-associated fungi inplantation were analyzed by using molecular ecological network analysis in the Mu Us Desert and its response to climate factors in different stand ages (27 a, 33 a and 44 a) and their annual growth stages (early growth season, vigorous growth season and end-of-growth season).The following conclusions are obtained. 1) Different growing seasons rather than different stand ages had significant differences in the co-occurrence network of fungi in roots ofplantation, and the co-occurrence network of fungi in roots was more complex in the vigorous growing season. 2) The keystone species of root-associated fungi ofplantation were significant in different growing seasons and stand ages. The keystone genera mainly included,,,,, etc. Ectomycorrhizal and saprophytic fungi were the keystone taxa in the early and end of the growth season, and saprophytic fungi and pathogens were the keystone taxa in the vigorous growth season. Meanwhile, the keystone taxa of middle-aged forest were saprophytic fungi and pathogens, while the mature forest were ectomycorrhizal and saprophytic fungi. 3) Relative humidity was the main influencing factor for ectomycorrhizal fungi network, and average precipitation and relative humidity were the main influencing factors for saprophytic fungi network and pathogens network (<0.05).Therefore, the network dynamic of root-associated fungi ofplantation in different growing seasons was stronger than that of stand age in Mu Us Desert, and the co-occurrence network structure was more complex in the vigorous growth season. The root-associated fungal network was mainly affected by average precipitation and relative humidity. Saprophytic fungi played an important role in maintaining the stability of the fungal network in different stand ages and growing seasons. Saprophytic fungi and pathogens in the vigorous growth season with high precipitation and relative humidity, which potentially contributed to the growth and health ofplantation.

psammophyte; stand age; growing season; soil fungi; co-occurrence network; climate factor