北極新奧爾松地區(qū)常見大型真菌物種多樣性及區(qū)系分析

何晨陽 馮健舉 張濤 余利巖

(中國醫(yī)學科學院醫(yī)藥生物技術研究所,中國藥學微生物菌種保藏管理中心,北京 100050)

0 引言

北極黃河站所在的新奧爾松地區(qū)(78°55′N,11°56′E)位于北極圈附近的斯瓦爾巴德群島(Svalbard Islands),該地區(qū)位于高北極地區(qū),生態(tài)系統(tǒng)受人為的擾動較少,但由于其生態(tài)系統(tǒng)脆弱,對全球氣候變化也更為敏感,是研究生態(tài)系統(tǒng)對全球變化響應的理想實驗場所。隨著全球氣候變化,在過去的100年里,北極平均氣溫的上升速度是世界平均速度的2 倍之多[1]。北極的自然生態(tài)環(huán)境也隨之發(fā)生了顯著變化,包括苔原植被變化冰川融化凍土層減薄以及能量物質循環(huán)的改變[2-4]。由此認為,北極生物多樣性受到了氣候變化的影響,其獨特的種質資源及基因資源受到威脅,亟待研究保護。

大型真菌是北極苔原生態(tài)系統(tǒng)中的重要成員,它們在地面上可以產生子實體以便繁殖,但其大部分生物量在地下,可以為植物根系提供營養(yǎng),對北極植物營養(yǎng)的調節(jié)作用十分重要,例如,它們是一些關鍵植物物種(仙女木Dryas octopetala珠芽蓼Polygonum viviparum極柳Salixpolaris)的外生菌根菌。某些無毒的大型真菌也是馴鹿和各種無脊椎動物的重要食物。此外,大型真菌因為其生長于土壤上或與土壤密切接觸,可以作為土壤質量的敏感指示物[5]。斯瓦爾巴德群島大型真菌物種多樣性的研究始于1833年,20世紀60年代開始,研究者對斯瓦爾巴德群島大型真菌進行了較為系統(tǒng)的研究[5]。截至2018年,斯瓦爾巴德群島已記錄大型真菌約187 種,其中包括蘑菇目Agaricales(157 種)腹菌目Gasteromycetales(10 種)非褶菌目 Aphyllophorales(13 種)外擔菌目Exobasidiales(3 種)花耳菌目Dacrymycetales(2 種)和銀耳目Tremellales(2 種)[5-7]。

本文以在北極新奧爾松地區(qū)調查采集的大型真菌標本為基礎,結合文獻報道,對該地區(qū)大型真菌物種多樣性及其區(qū)系組成進行了初步研究,這將為研究氣候變化對北極苔原生態(tài)系統(tǒng)及大型真菌多樣性的影響提供必要的實驗數(shù)據(jù)支持。

1 研究材料與方法

1.1 研究地點及標本采集

新奧爾松地區(qū)位于斯瓦爾巴德群島(Svalbard Islands)中斯匹次卑爾根島(Spitzbergen)的西海岸,地處布勒格半島(Br?gger Peninsula)的中部偏北,臨近王灣(Kongsfjorden),該地區(qū)位于北極圈(66.5°N)以內,屬于高北極地區(qū),但來自挪威大陸向北流向斯匹次卑爾根島西海岸的溫暖洋流使其相較于同緯度其他地區(qū)氣候更為溫暖,該地區(qū)年降水量為401.2 mm,3月是一年中最寒冷的月份,月平均氣溫為-11 ℃,7月是最溫暖的月份,月平均氣溫為+6 ℃(2005—2015,https://www.timeanddate.com/weather/norway/ny-alesund/climate)。48 份大型真菌標本于2019年北極黃河站夏季科學考察期間(7月22日—8月12日)采集(圖1)。大型真菌標本采集時,記錄采集地的經緯度生境照片,標本采集后置于無菌采樣袋中帶回北極黃河站內實驗室,整理編號,部分樣品曬干,部分樣品置于-20℃冰箱低溫保藏。

圖1 北極新奧爾松地區(qū)大型真菌樣品采樣點(紅色圓點標記,地圖來源于武漢大學中國南極測繪研究中心)Fig.1.Locations of sampling sites in Ny-?lesund region(the sampling sites are marked by red dots,map was obstained from Wuhan University Chinese Antarctic Center of Surveying and Mapping)

1.2 標本形態(tài)鑒定

在野外采集記錄新鮮標本的宏觀特征。對大型真菌顯微形態(tài)觀察時,用鑷子和解剖刀片選取不同部位的組織進行切片或直接制片。新鮮標本以純凈水作為介質,干標本則使用質量體積比為5%的KOH 溶液制片,制作的玻片在顯微鏡(Axio Scope A1,Zeiss)下觀察,記錄顯微結構特征。

1.3 DNA 提取及PCR 擴增

取約5 mm×5 mm 的小塊標本組織塊,加入液氮研磨后用改良CTAB 法提取DNA[8]。使用引物 ITS1F 和 ITS4 擴增了該 rRNA 基因的ITS( ITS1- 5.8S-ITS2)[9]。PCR 擴增采用50 μL 體系,包括:Easy Taq Buffer 6 μL,Easy Taq DNA Polymerase 1.5 μL,dNTP 4 μL,引物(ITS1F 和ITS4)各1.5 μL,ddH2O 33.5 μL,樣品2 μL。反應條件:95℃預變性3 min,94℃變性30 s52℃退火30 s72℃延伸40 s進行37 個循環(huán),72℃延伸10 min,4℃保存。PCR 產物用1%瓊脂糖凝膠電泳檢測,具有陽性條帶的PCR 產物送生工生物工程(上海)股份有限公司采用桑格測序法進行測序。測序結果上傳至GenBank 數(shù)據(jù)庫,GenBank 登錄號為MW748423—MW748470。

1.4 序列比對及分析

獲得的ITS 區(qū)序列信息,采用NCBI 網(wǎng)站上的序列比對工具BLASTn,與GenBank 中的序列進行比對。下載相似度和覆蓋度均≥97%的部分大型真菌序列與自測序列形成數(shù)據(jù)集。使用在線網(wǎng)站(https://mafft.cbrc.jp/alignment/server/)對序列進行對排,形成的矩陣將兩端的18S 和28S 保守區(qū)截去后,保存為Fasta 格式。通過PhyloSuite_v1.1.16 軟件中的Model Finder 功能,得出AIC 模式下最佳模型為GTR+F+I+G4,并使用RaxML v8.2.10 軟件進行最大似然法系統(tǒng)發(fā)育分析,堿基替換模型選擇GTRGAMMAI,經1000 次非參數(shù)自助法(nonparametric bootstrapping)分析獲得支持度。系統(tǒng)發(fā)育樹使用Fig Tree v1.4.4 進行可視化和編輯,標注最大似然法自檢值≥50%的值于分支節(jié)點上下。

1.5 區(qū)系分析

物種學名的分類系統(tǒng)及命名人縮寫參照真菌索引(http://www.indexfungorum.org),區(qū)系分布類型主要依據(jù)相關物種的文獻報道[5-7,10-39]進行劃分。

2 結果與分析

2.1 新奧爾松地區(qū)大型真菌物種多樣性

對新奧爾松地區(qū)采集的48 份大型真菌標本經過形態(tài)特征及分子序列分析,鑒定為 21 種(圖2)。鑒定的21 種大型真菌,隸屬于擔子菌門(Basidomycota)蘑菇目(Agaricales)下屬7 科(蠟傘科 Hygrophoraceae口蘑科 Tricholomataceae絲膜菌科 Cortinariaceae粉褶菌科 Entolomataceae絲蓋傘科 Inocybaceae馬勃科 Lycoperdaceae腹軸菌科 Hymenogastraceae) 10屬(健孔菌屬Arrhenia漏斗傘屬Infundibulicybe蠟蘑屬Laccaria亞臍菇屬Omphalina絲膜菌屬Cortinarius粉褶蕈屬Entoloma絲蓋傘屬Inocybe禿馬勃屬Calvatia盔孢傘屬Galerina滑銹傘屬Hebeloma)(表1),其中銹健孔菌Arrhenia rustica為斯瓦爾巴德群島新記錄種。

新奧爾松地區(qū)大型真菌物種名錄如下。

1 蠟傘科 Hygrophoraceae

1.1 健孔菌屬Arrhenia

1.1.1 裂片健孔菌Arrhenia lobata(Pers.) Kuhner&Lamoure ex Redhead

標本號:0727-430727-480727-570727-600728-040728-16。

地理分布:斯瓦爾巴德群島[5-6,10]加拿大北極及亞北極地區(qū)[11]歐洲阿爾卑斯山脈[12]利比亞半島西伯利亞及地中海地區(qū)[13]北美落基山脈[14]阿根廷[15]。

1.1.2 銹健孔菌Arrhenia rustica(Fr.) Redhead,Lutzoni,Moncalvo &Vilgalys

標本號:0728-17。

地理分布:斯瓦爾巴德群島新記錄敘爾特塞島[16]韓國[17]加拿大北極及亞北極地區(qū)[11]阿根廷[15]。

2 口蘑科 Tricholomataceae

2.1 漏斗傘屬Infundibulicybe

2.1.1 磚紅漏斗傘Infundibulicybe lateritia(J.Favre) Vizzini &Contu

標本號:0731-39。

地理分布:斯瓦爾巴德群島[5]加拿大北極及亞北極地區(qū)[11]瑞士[18]。

2.2 蠟蘑屬Laccaria

2.2.1 紅蠟蘑Laccaria laccata(Scop.) Cook

標本號:0729-300731-09。

地理分布:斯瓦爾巴德群島[5-6]加拿大北極及亞北極地區(qū)[11]俄羅斯堪察加半島格陵蘭島歐洲阿爾卑斯山脈冰島北美阿拉斯加[19]北美落基山脈[14]中國[20]南非[21]新西蘭[22]澳大利亞[23]阿根廷[15]。

2.2.2 山蠟蘑Laccaria montanaSinger

標本號:0727-31。

地理分布:斯瓦爾巴德群島[5-6]加拿大北極及亞北極地區(qū)[11]俄羅斯堪察加半島歐洲阿爾卑斯山脈冰島[19]北美落基山脈[14]中國西藏[24]。

2.3 亞臍菇屬Omphalina

2.3.1 雪亞臍菇Omphalina chionophilaLamoure

標本號:0729-02。

地理分布:斯瓦爾巴德群島[5-6]瑞典[25]。

2.3.2 囊蓋亞臍菇Omphalina rivulicola(J.Favre)Lamoure

標本號:0727-440727-450727-59。

地理分布:斯瓦爾巴德群島[5-6]斯堪的納維亞山脈中歐及南歐山區(qū)[10]。

3 絲膜菌科 Cortinariaceae

3.1 絲膜菌屬Cortinarius

3.1.1 高山絲膜菌Cortinarius alpinusBoud.

標本號:0731-060802-030802-040803-18。

地理分布:斯瓦爾巴德群島[5-6]俄羅斯意大利法國挪威瑞士格陵蘭島[26]加拿大北極及亞北極地區(qū)[11]北美落基山脈[14]中國[27]。

3.1.2 極地絲膜菌Cortinarius polarisH?iland

標本號:0729-290727-34。

地理分布:斯瓦爾巴德群島[5-6]加拿大北極及亞北極地區(qū)[11]北美落基山脈[14]。

3.1.3 土星絲膜菌Cortinarius saturninus(Fr.)Fr.

標本號:0725-030726-100810-12。

地理分布:斯瓦爾巴德群島[28]法國瑞士北美[29]中國新疆[30]。

4 粉褶菌科 Entolomataceae

4.1 粉褶菌屬Entoloma

4.1.1 黑絲狀粉褶菌Entoloma atrosericeum(Kuhner) Noordel.

標本號:0729-27。

地理分布:斯瓦爾巴德群島[6]北美落基山脈[14]。

5 絲蓋傘科 Inocybaceae

5.1 絲蓋傘屬Inocybe

5.1.1 淡黃絲蓋傘Inocybe flavellaP.Karst.

標本號:0729-14。

地理分布:斯瓦爾巴德群島[6]歐洲[31]美國[32]。

5.1.2 深褐邊絲蓋傘Inocybe fuscomarginataKuhner

標本號:0729-280729-31。

地理分布:斯瓦爾巴德群島[5-6]歐洲斯堪的納維亞山脈阿爾卑斯山脈[32]。

5.1.3 暗毛絲蓋傘Inocybe lacera(Fr.) P.Kumm.

標本號:0727-53。

地理分布:斯瓦爾巴德群島[5-6]歐洲[31]加拿大北極及亞北極地區(qū)[11]北美[14,32]。

5.1.4 白錦絲蓋傘Inocybe leucolomaKuhner

標本號:0727-850812-030812-07。

地理分布:斯瓦爾巴德群島[5-6]歐洲斯堪的納維亞山脈阿爾卑斯山脈喀爾巴阡山脈北美落基山脈[14,32]中國長白山[33]。

6 馬勃科 Lycoperdaceae

6.1 禿馬勃屬Calvatia

6.1.1 白堊禿馬勃Calvatia cretacea(Berk.) Lloyd

標本號:0727-180728-06。

地理分布:斯瓦爾巴德群島[5]北美落基山脈[14]。

7 腹軸菌科 Hymenogastraceae

7.1 盔孢傘屬Galerina

7.1.1 北極盔孢傘Galerina arctica(Singer)Nezdojm.

標本號:0729-08。

地理分布:斯瓦爾巴德群島[5-6]俄羅斯挪威法國高山地區(qū)[10]北美落基山脈[14]。

7.1.2 棒囊盔孢傘Galerina clavata(Velen.)Kuhner

標本號:0727-460727-470727-700727-730727-900803-20

地理分布:斯瓦爾巴德群島[5-6]北美落基山脈[14]中國大興安嶺[34]。

7.2 滑銹傘屬Hebeloma

7.2.1 沙地滑銹傘Hebeloma dunenseL.Corb.&R.Heim

標本號:0725-020726-140802-08。

地理分布:斯瓦爾巴德群島[7]加拿大俄羅斯歐洲阿爾卑斯山歐洲喀爾巴阡山北美落基山脈[7,14]。

7.2.2 褐蓋滑銹傘Hebeloma mesophaeum(Pers.)Quel.

標本號:0726-230728-130812-11。

地理分布:斯瓦爾巴德群島[6-7]加拿大北極及亞北極地區(qū)[11]俄羅斯冰島歐洲阿爾卑斯山脈斯堪的納維亞山脈喀爾巴阡山脈北美落基山脈[7,14]喜馬拉雅山脈西部[35]中國吉林及內蒙古[36]尼日利亞[37]阿根廷[38]。

7.2.3 斯匹次卑爾根滑銹傘Hebeloma spetsbergenseBeker &U.Eberh

標本號:0727-39。

地理分布:斯瓦爾巴德群島[7]北美落基山脈[14,39]。

2.2 分子系統(tǒng)學分析

獲得48 份標本的ITS 序列信息,從GenBank中下載其近緣物種序列,基于標本序列及近緣物種序列采用最大似然法構建系統(tǒng)發(fā)育樹。從結果可看出標本序列分別與其近緣物種序列聚到一起,在系統(tǒng)發(fā)育樹中大多數(shù)物種的支持率在90%以上,能夠很好地支持形態(tài)學上的鑒定結果,雖然存在部分物種支持率較低,但其 ITS 序列均具有很高的一致性(圖3)。

2.3 新奧爾松地區(qū)大型真菌區(qū)系分析

本研究將新奧爾松地區(qū)所采集的大型真菌物種區(qū)系組成劃分為3 類,包括：世界廣布種北溫帶-北極分布種北寒帶分布種。從物種的區(qū)系組成上可以看出新奧爾松地區(qū)大型真菌物種以北溫帶-北極分布和北寒帶分布成分為主(圖4),具有明顯的泛北極分布特征。

圖4 北極新奧爾松地區(qū)蘑菇目物種區(qū)系地理成分Fig.4.Geographical components of macrofungal species in Ny-?lesund region,Arctic

世界廣布種,即廣泛分布于全世界各大洲且沒有特定的分布區(qū)域中心的種。新奧爾松地區(qū)共鑒定得到4 種,隸屬于3 科3 屬,占蘑菇目物種鑒定總數(shù)的 19.05%,包括裂片健孔菌Arrhenia lobata銹健孔菌Arrhenia rustica紅蠟蘑Laccaria laccata褐蓋滑銹傘Hebeloma mesophaeum。

北溫帶-北極分布種,即分布于北回歸線以北地區(qū)的種,包括亞洲歐洲北美洲和北極地區(qū)的種。新奧爾松地區(qū)共鑒定得到10 種,隸屬于4 科6 屬,占蘑菇目物種鑒定總數(shù)的47.62%,包括山蠟蘑Laccaria montana囊蓋亞臍菇Omphalina rivulicola高山絲膜菌Cortinarius alpinus土星絲膜菌Cortinarius saturninus淡黃絲蓋傘Inocybe flavella深褐邊絲蓋傘Inocybe fuscomarginata暗毛絲蓋傘Inocybe lacera白錦絲蓋傘Inocybe leucoloma斯匹次卑爾根滑銹傘Hebeloma spetsbergense棒囊盔孢傘Galerina clavata。

北寒帶分布種,即廣泛分布于北寒帶的種,包括北極及北極圈附近的種。新奧爾松地區(qū)共鑒定得到7 種,隸屬于5 科7 屬,占蘑菇目物種鑒定總數(shù)的33.33%,包括磚紅漏斗傘Infundibulicybelateritia極地絲膜菌Cortinarius polaris黑絲狀粉褶菌Entoloma atrosericeum白堊禿馬勃Calvatia cretacea北極盔孢傘Galerina arctica沙地滑銹傘Hebeloma dunense雪亞臍菇Omphalina chionophila。

3 討論

北極特殊生境造就了其獨特的真菌物種多樣性遺傳多樣性及生態(tài)多樣性,本研究對北極新奧爾松地區(qū)大型真菌物種資源以及系統(tǒng)發(fā)育多樣性進行了初步分析。此次共采集大型真菌標本48份,均隸屬于擔子菌門 Basidiomycota蘑菇目Agaricales,涵蓋了7 科10 屬21 種,表明該北極苔原地區(qū)大型真菌物種多樣性較為豐富。

外生菌根真菌與北極苔原中許多植物物種形成共生體。只有存在植物寄主時,外生菌根菌(如絲膜菌屬Cortinarius絲蓋傘屬Inocybe蠟蘑屬Laccaria滑銹傘屬Hebeloma)才能生長,外生菌根菌常見的北極苔原寄主植物包括仙女木Dryas octopetala珠芽蓼Polygonum viviparum極柳Salixpolaris等[7,40],進而促進苔原植物根系吸收營養(yǎng)[41-42]。因此,如果沒有大型真菌對苔原植物營養(yǎng)的調節(jié)能力,寒冷的北極苔原植被將會更加稀少[41]。此外,北極地區(qū)冬季較長,苔原植被利用率較低,食物數(shù)量少及質量差,給北極食草動物帶來了巨大生存壓力,出于夏季補充營養(yǎng)的需求,某些大型真菌物種(如雪亞臍菇Omphalina chionophila土星絲膜菌Cortinarius saturninus)也是馴鹿和各種無脊椎動物的重要食物[43]。盡管它們很重要,但對北極苔原地區(qū)的大型真菌的物種多樣性豐度分布及影響其群落組成的關鍵驅動因素還不甚了解。氣候變化正在以驚人的速度改變北極苔原生態(tài)系統(tǒng)及其物種組成,因而系統(tǒng)研究北極苔原中包括大型真菌在內的生物多樣性具有重要意義。

本研究將所鑒定的物種劃分為3 個地理區(qū)系類型。從區(qū)系分布上來看,該地區(qū)大型真菌物種具有明顯的泛北極分布特征,以北溫帶-北極分布和北寒帶分布成分為主,如裂片健孔菌Arrhenia lobata常被報道于北極和高寒地區(qū),大量存在于潮濕的長滿苔蘚的環(huán)北極地區(qū),與苔蘚存在寄生關系,但也曾被報道于阿爾卑斯山脈喀爾巴阡山脈伊比利亞半島山區(qū)西伯利亞高山帶等山區(qū)[13]。磚紅漏斗傘Infundibulicybe lateritia(≡Clitocybe lateritia)也是一種稀有的高山-北極物種,與北極苔原植物仙女木Dryas octopetala緊密相關[18]。斯匹次卑爾根滑銹傘Hebeloma spetsbergense最初僅在斯瓦爾巴德群島被發(fā)現(xiàn)并報道(78°N)[7],后來在美國科羅拉多州(36°N—38°N,海拔3700～3800 m)也被發(fā)現(xiàn)報道[33],兩者相距約6500 km,擴展了該種分布范圍,而該種是否在其他區(qū)域分布還有待進一步研究?？傊?關于北極及其他區(qū)域大型真菌物種多樣性進一步的深入研究將有利于闡明其地理分布特征。