內(nèi)蒙古不同氣候帶白樺外生菌根真菌群落結(jié)構(gòu)及影響因素

李 敏,呂桂芬,牛艷芳,孟兆云,楊勛爵

1 內(nèi)蒙古師范大學(xué)生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,呼和浩特 010022 2 內(nèi)蒙古自治區(qū)高等學(xué)校生物多樣性保護與可持續(xù)利用重點實驗室,呼和浩特 010022

土壤微生物是土壤生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分,它們驅(qū)使和影響了有機物分解、營養(yǎng)循環(huán)、生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力等許多生態(tài)系統(tǒng)過程,對于維持全球生態(tài)系統(tǒng)功能至關(guān)重要[1—5]。菌根真菌約占土壤生態(tài)系統(tǒng)微生物總量的70%,構(gòu)成了生態(tài)系統(tǒng)中最重要的功能群之一[5]。 外生菌根真菌與植物的關(guān)系主要表現(xiàn)為互惠共生關(guān)系,可增加宿主植物對氮、磷、鉀等營養(yǎng)元素的吸收,并增強植物的抗病、抗寒、抗鹽及抗重金屬等對極端環(huán)境的適應(yīng)能力[6—8]；外生菌根共生體還可以通過加速宿主光合作用和對微生物的生物分解而抑制土壤呼吸[9—10],從而降低大氣中的二氧化碳濃度。同時宿主植物提供給外生菌根真菌光合產(chǎn)物等物質(zhì)以供其生長。外生菌根真菌與宿主植物的相互作用在整個陸生植物進化過程中扮演了重要角色[11],強烈影響著森林生態(tài)系統(tǒng)的功能[6]。外生菌根真菌的物種及功能多樣性是維持生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性的重要因素[1,12]。因此,菌根真菌群落變異影響著植物群落和陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)以及整個陸地生態(tài)系統(tǒng)格局的變化[1, 13]。

在全球尺度上對土壤真菌的地理分布研究表明,氣候因素、土壤特征和空間格局是全球范圍內(nèi)土壤真菌豐富度和群落組成的最佳預(yù)測因子,但不同真菌類群隨著氣候、土壤、植物參數(shù)變化的模式表現(xiàn)出了很大的差異[1,3]。大量研究表明,土壤pH是微生物多樣性響應(yīng)全球變化因子的一個重要預(yù)測因子[14—15]。也有研究表明,大空間尺度上溫度是森林土壤中微生物多樣性最重要的調(diào)控因素[16]。另有報道緯度也是影響土壤真菌多樣性的重要因子[17]。上述研究表明,在不同的地理尺度上,土壤微生物多樣性變化的關(guān)鍵驅(qū)動因子會有所不同,即表現(xiàn)出一定的尺度依賴性[1]。

白樺作為天然次生林生態(tài)系統(tǒng)演替過程的先鋒樹種,是溫帶落葉闊葉林的優(yōu)勢樹種,對于維持區(qū)域生態(tài)平衡具有重要的意義。白樺是典型的外生菌根植物,據(jù)報道,與白樺共生的外生菌根真菌主要有紅菇科(Russulaceae)、鵝膏菌科(Amanitaceae)、牛肝菌科(Boletaceae)、絲膜菌科(Cortinariaceae) 和口蘑科(Tricholomataceae)等科及鉚釘菇屬(Gomphidius)、乳牛肝菌屬(Suillus)、豆馬勃屬(Pisolithus)、牛肝菌屬(Boletus)、絲膜菌屬(Cortinarius)、絲蓋傘屬(Inocybe)、蠟殼耳屬(Sebacina)、Piloderma、滑菇屬(Hebeloma)、空團菌屬(Cenococcum)、塊菌屬(Tuber)、地懷菌屬(Geopyxis)和鵝膏菌屬(Amanita)等屬的真菌[18—19]。上述報道主要是基于外生菌根形態(tài)學(xué)進行的鑒定,不僅工作量大,效率低,更重要的是僅通過對外生菌根的形態(tài)鑒定很難準(zhǔn)確地反映出白樺外生菌根真菌多樣性。為更全面的了解白樺外生菌根真菌群落結(jié)構(gòu),楊岳等采用高通量測序技術(shù)對內(nèi)蒙古東部的赤峰市黑里河、賽罕烏拉以及內(nèi)蒙古西部的賀蘭山3個國家自然保護區(qū)的白樺根圍外生菌根真菌群落組成進行了研究,結(jié)果表明,白樺具有較高的外生菌根真菌多樣性[20]。但其采樣點較少,采樣點的氣候、植被梯度跨越較小。因此本研究在更大尺度范圍內(nèi)(東西跨越約2400km,南北跨越約1700km)開展了白樺外生菌根真菌的調(diào)查研究工作。樣地內(nèi)從東到西水、熱和植被有顯著的地帶性分布,從氣候溫度帶上來說,依次跨越了寒溫帶-中溫帶-暖溫帶；從濕潤度來看,依次呈現(xiàn)出濕潤-半濕潤-半干旱的氣候變化特征；植被也有相應(yīng)的演替過程,跨越了森林-森林草原-草原的植被地帶；這種地帶性分布在群落演替和生物多樣性保護研究中具有重要作用。研究表明,微生物群落結(jié)構(gòu)比微生物多樣性對環(huán)境因子的響應(yīng)更敏感,且微生物稀有種相對于常見種對環(huán)境變化的響應(yīng)更敏感[14]。那么,外生菌根真菌在這種地帶性分布的環(huán)境中是否有相應(yīng)的變化？因此,本文擬解決以下兩個主要科學(xué)問題：(1)跨氣候帶條件下白樺根圍外生菌根真菌多樣性及群落結(jié)構(gòu)的特點是什么？(2)內(nèi)蒙古白樺根圍外生菌根真菌菌群結(jié)構(gòu)的主要影響因素是什么？雖然不同氣候帶水熱條件和植被存在顯著差異,但是,外生菌根真菌主要是通過與宿主植物共生而存在,基于此,提出如下假設(shè)：相比較氣候因素,土壤環(huán)境對白樺外生菌根真菌群落結(jié)構(gòu)的影響更顯著。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究樣地跨越整個內(nèi)蒙古自治區(qū),從西到東分別選擇內(nèi)蒙古西部的賀蘭山國家級自然保護區(qū)(HLS,105°25′—105°28′E,38°36′—38°40′N,海拔1965—2040 m)、烏拉山國家森林公園(WLS,109°21′—109°24′E,40°43′—40°48′N,海拔1739—1928 m)、內(nèi)蒙古中部的呼和浩特大青山小井溝(XJG,110°47′—110°49′E,41°2′—41°8′N,海拔 1715—1854 m)、內(nèi)蒙古東部的赤峰市黃崗梁國家森林公園(HGL,117°36′—117°38′E,43°32′—43°35′N,海拔1501—1756 m)和呼倫貝爾市根河市大興安嶺森林監(jiān)測站(GH,121°29′—121°33′E,50°54′—50°58′N,海拔848—853 m)作為采樣點(圖1)。

圖1 內(nèi)蒙古自治區(qū)白樺根圍土壤采樣點分布圖 Fig.1 Distribution of sampled Betula platyphylla in Inner Mongolia Autonomous RegionHLS: 賀蘭山；WLS: 烏拉山；XJG: 小井溝；HGL: 黃崗梁；GH: 根河

1.2 樣品采集

內(nèi)蒙古從東到西共設(shè)5個采樣點,各采樣點隨機設(shè)置5個100 m×100 m的重復(fù)樣方,樣方間隔200 m,各樣方內(nèi)按S型隨機布點,采集10棵健康白樺的根圍土壤,共收集土樣樣品250份。采樣時,先用鐵鍬除去表層枯枝落葉,沿著樹的根部輕輕拽到根的末端,深度在20—50 cm,收集根圍土壤。將各采樣點的同處理土樣混合均勻,使用低溫冰盒保存并迅速帶回實驗室。將土樣過2 mm土壤篩,各處理的土樣分成兩份；一份用于高通量測序(置于-80℃保存),另一份用于土壤理化性質(zhì)的檢測(土樣部分風(fēng)干,部分冷凍)。

1.3 土壤理化性質(zhì)測定

土壤理化性質(zhì)的測定方法參照鮑士旦的方法進行[21]。土壤全氮(total nitrogen,TN)測定采用半微量凱氏定氮法；土壤有機質(zhì)(soil organic matter,SOM)含量測定采用重鉻酸鉀外加熱法；土壤含水量(soil water content,SWC)測定采用烘干法；速效鉀(Available potassium,AK)測定采用乙酸銨浸提-火焰光度法；有效磷(Available phosphorus,AP)測定采用分光光度計法；土壤pH值測定采用酸度計法(土水比1∶2.5)。

1.4 土壤真菌總 DNA 提取、PCR 擴增及測序

本實驗選用長度約為250bp的真菌ITS基因的高度可變的ITS1區(qū)為目標(biāo)片段,并選用真菌ITS5F(5′-GGAAGTAAAAGTCGTAACAAGG- 3′)和ITS1R(5′-GCTGCGTTCTTC-ATCGATGC- 3′)為特異性引物。PCR擴增產(chǎn)物的定量測定、均一化、文庫制備、上機測序及數(shù)據(jù)質(zhì)量控制等均由上海派森諾生物科技股份有限公司完成。上機測序采用 Illumina Miseq平臺。通過質(zhì)量篩查獲得有效序列,對優(yōu)化后的序列進行 OTU 的劃分。對OTU進行分類單元名稱指定時,參考UNITE數(shù)據(jù)庫(Release 5.0,https://unite.ut.ee/)[22]。對各樣品的全部數(shù)據(jù)均一化處理后進行后續(xù)分析。

1.5 生物信息學(xué)分析

采用QIIME 軟件分析樣品的β多樣性。用SPSS 22.0軟件進行外生菌根真菌豐度及土壤理化性質(zhì)的Pearson相關(guān)性分析及顯著性檢驗。利用Canoco(version 4.5)軟件完成土壤理化性質(zhì)對外生菌根真菌群落組成差異的冗余分析(db-RDA)。運用R軟件進行各種分析圖的繪制與結(jié)果輸出。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤理化性質(zhì)分析

內(nèi)蒙古5個樣地的生態(tài)環(huán)境因子如表1所示。各樣地的土壤有機質(zhì)含量、pH值、年平均溫度和年平均降水量均有顯著差異(P<0.05)。在內(nèi)蒙古從西到東,土壤pH值有明顯的變化趨勢,由HLS的堿性(pH 7.93)逐漸過渡為根河的酸性(pH 4.13)。土壤含水量、有機質(zhì)含量和有效磷含量均為GH最高,分別為32.08%、113.03g/kg和15.00mg/kg；HGL最低,分別為7.36%、46.03g/kg和3.87mg/kg。另外,總氮的變化范圍為1.93—3.87 g/kg,速效鉀的變化范圍為0.19—0.39 g/kg,HLS、WLS、XJG和HGL的土壤總氮和速效鉀均有顯著差異,而GH和HLS間無顯著性差異。內(nèi)蒙古從西到東,年平均降水量逐漸增加,由HLS的267mm逐漸增加到GH的484mm；XJG的年平均溫度最高,為2.70℃,越往東年平均溫度越低,GH最低,為-4.18℃。

表1 內(nèi)蒙古5個樣地生態(tài)環(huán)境因子分析(平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤)Table 1 Analysis of eco-environmental factors from five sites in Inner Mongolia(Mean±SE)

2.2 白樺外生菌根真菌群落組成

內(nèi)蒙古白樺根圍土壤中共獲得261個外生菌根真菌OTUs,隸屬于2門、4綱、11目、29科、50屬(表2)。其中絕大部分為擔(dān)子菌門(Basidiomycota)真菌,相對豐度占93.5%；其余為子囊菌門(Ascomycota)真菌,相對豐度占6.5%。在綱水平上,所有外生菌根真菌隸屬于4個綱,其中傘菌綱(Agaricomycetes)真菌為絕對優(yōu)勢真菌,相對豐度為93.5%,其次分別為盤菌綱(Pezizomycetes,3.7%)、座囊菌綱(Dothideomycetes,2.0%)和 錘舌菌綱(Leotiomycetes,0.8%)。相對豐度較高的目為紅菇目(Russulales,32.9%),其次為蠟殼耳目(Sebacinales,21.8%)和傘菌目(Agaricales,21.1%)。科水平上,相對豐度較高的科為紅菇科(32.9%)、蠟殼耳科(Sebacinaceae,20.8%)和絲膜菌科(11.8%)。屬水平上,紅菇屬(Russula)真菌相對豐度最高,為32.1%；其次為蠟殼耳屬(Sebacina,19.9%)和絲膜菌屬(11.8%),另外,鎖瑚菌屬(Clavulina,3.91%)、棉革菌屬(Tomentella,3.27%)、蠟傘屬(Hygrophorus,2.73%)、絲蓋傘屬(2.61%)、輻片包屬(Hysterangium,2.57%)、Piloderma(2.55%)、空團菌屬(2.01%)、粉褶蕈屬(Entoloma,1.91%)、粉孢牛肝菌屬(Tylopilus,1.22%)、鵝膏菌屬(1.14%)和革菌屬(Thelephora,1.00%)的相對豐度也都超過了1.0%,為白樺根圍土壤的優(yōu)勢外生菌根真菌。

2.3 白樺外生菌根真菌群落結(jié)構(gòu)差異

內(nèi)蒙古5個樣地共檢測到外生菌根真菌OTUs 261個(圖2)。從西到東的樣地HLS、WLS、XJG、HGL和GH的OTUs數(shù)量分別為77、60、49、51、54個,各地的特有OTUs數(shù)量分別為65、44、34、44和47個,各地的特有OTUs數(shù)量占各地所有OTUs數(shù)量的比例分別為84.42%、73.33%、69.39%、86.27%和87.04%,表明內(nèi)蒙古東部的GH、HGL和西部的HLS的特有OTUs比例高于中部的XJG和WLS。5個樣地中沒有檢測到共有OTUs。

其四，學(xué)校應(yīng)該營造特色的教師文化。“學(xué)校應(yīng)該有向心力，也就是組織文化?，F(xiàn)在教師凝聚力還是比較差一點，學(xué)校有學(xué)生學(xué)習(xí)的文化，但是教師文化還是比較欠缺的。例如有的學(xué)校重視教科研，全校教師都在參與教科研。有的學(xué)校比較重視課外活動，教師們則都在參與活動。例如咱們學(xué)校教師逐漸通過做科研獲得一些榮譽，變得更加自信、高興，所以也更樂于參與教科研?！盵HDW—TY]

圖2 內(nèi)蒙古5個樣地白樺根圍外生菌根真菌OTUs數(shù)量 Fig.2 The OTUs number of Betula platyphylla rhizosphere soils from five sites in Inner Mongolia

圖3表示屬水平上的外生菌根真菌的相對豐度(僅列出相對豐度前20個屬)。5個樣地白樺外生菌根真菌群落結(jié)構(gòu)差異的比較見表2和圖3。50個外生菌根真菌屬中,5個樣地的共有屬僅有3個,分別為紅菇屬、蠟殼耳屬和絲膜菌屬,這3個屬也是白樺根圍土壤相對豐度最高的3個屬。HLS相對豐度最高的3個屬分別為蠟殼耳屬(38.73%)、棉革菌屬(10.27%)和粉褶菌屬(9.53%),這3個屬的相對豐度占該樣地所有外生菌根真菌的58.53%。WLS蠟殼耳屬(52.77%)的相對豐度最高,其次分別為絲膜菌屬(12.60%)和紅菇屬(7.90%),這3個屬的相對豐度占該樣地所有外生菌根真菌的73.27%。XJG相對豐度最高的3個屬分別為絲膜菌屬(32.10%)、鎖瑚菌屬(16.03%)和輻片包屬(12.83%),這3個屬的相對豐度占該樣地所有外生菌根真菌的60.96%。HGL相對豐度最高的3個屬分別為紅菇屬(71.57%)、空團菌屬(8.67%)和鵝膏菌屬(4.07%),這3個屬的相對豐度占該樣地所有外生菌根真菌的84.31%。GH相對豐度最高的3個屬分別為紅菇屬(66.37%)、絲膜菌屬(10.07%)和Piloderma(9.53%),這3個屬的相對豐度占該樣地所有外生菌根真菌的76.97%。某些屬的相對豐度在該樣地超過了50%,構(gòu)成了該樣地的絕對優(yōu)勢屬,如WLS的蠟殼耳屬(52.77%),HGL (71.57%)和GH(66.37%)的紅菇屬。另外,紅菇屬、Piloderma和空團菌屬在東部地區(qū)(HGL和/或GH)的相對豐度更高；絲膜菌屬、蠟傘屬、鎖瑚菌屬和輻片包屬在中部地區(qū)(XJG)的相對豐度更高；蠟殼耳屬和革菌屬在西部地區(qū)(HLS和/或WLS)的相對豐度更高。上述結(jié)果表明,5個樣地在外生菌根真菌優(yōu)勢屬的組成上存在顯著差異,而且部分優(yōu)勢屬在不同樣地的相對豐度存在顯著差異。

圖3 內(nèi)蒙古白樺根圍土壤外生菌根真菌屬水平的群落結(jié)構(gòu)Fig.3 The ectomycorrhizal fungal community structure of Betula platyphylla rhizosphere soils on generic level from five sites in Inner Mongolia

所有樣地中,紅菇屬的相對豐度最高(32.05%),但在不同樣地的相對豐度差異顯著,在內(nèi)蒙古東部的HGL和GH,其分布顯著高于中部的XJG和西部的HLS、WLS；蠟殼耳屬在內(nèi)蒙古中部(WLS)和西部(HLS)的相對豐度顯著高于東部地區(qū)(HGL和GH)；絲膜菌屬在內(nèi)蒙古中部(XJG)的相對豐度顯著高于東、西部地區(qū)。

對5個樣地的優(yōu)勢屬的進一步分析發(fā)現(xiàn),5個樣地的共有優(yōu)勢屬的相對豐度占所有優(yōu)勢屬的68.22%,表明5個樣地的真菌群落結(jié)構(gòu)有所差異。HLS、WLS、XJG、HGL和GH各樣地的優(yōu)勢屬的相對豐度分別占所有外生菌根真菌優(yōu)勢屬的19.73%、18.67%、20.58%、20.88%和20.13%,說明雖然各樣地白樺根圍外生菌根真菌的組成有所差異,但各樣地的優(yōu)勢外生菌根真菌的相對豐度差異較小。

為了進一步探究不同樣地白樺根圍外生菌根真菌群落標(biāo)記物,找出組間具有顯著差異的物種,以及顯著影響組間差異性的物種或群落,基于LEfSe(LDA Effect Size)分析方法,對樣品組間菌群豐度差異特征進行了分析(圖4)。結(jié)果表明,5個樣地共有15個不同分類水平的外生菌根真菌存在顯著性差異。其中,HGL有3個差異指示種,分別為紅菇屬,紅菇科和紅菇目；HLS有4個差異指示種,分別為革菌目(Thelephorales)、革菌科(Thelephoraceae)、盤菌目(Pezizales)和盤菌綱；WLS有3個差異指示種,分別為蠟殼耳目、蠟殼耳科和蠟殼耳屬；XJG有5個差異指示種,分別為絲膜菌科,絲膜菌屬、雞油菌目(Cantharellales),鎖瑚菌科(Clavulinaceae)和鎖瑚菌屬。

圖4 不同樣地白樺根圍外生菌根真菌LEfSe物種差異分析 Fig.4 LEfSe species difference analysis of Betula platyphylla ectomycorrhizal fungi from five sites

2.4 β多樣性分析

為了闡明5個樣地白樺外生菌根真菌群落結(jié)構(gòu)差異,進行了主成分分析(PCA),如圖5所示。結(jié)果表明,除WLS樣地外,其余4個樣地的樣品均聚類在同一象限,表明樣品的重復(fù)性較好。同時,HGL和GH樣品存在交錯,HLS和WLS樣品也存在交錯,表明它們的外生菌根真菌群落組成差異較小。HLS、XJG和GH的樣品聚類距離較遠,說明這3個樣地的外生菌根真菌群落結(jié)構(gòu)差異顯著。在PC1維度上,屬于內(nèi)蒙古東部的GH和HGL的外生菌根真菌群落組成更接近,而屬于內(nèi)蒙古中西部的XJG、WLS和HLS的外生菌根真菌群落組成更接近,由于內(nèi)蒙古東部和中西部在氣候、地理和土壤等的組成上均有顯著差異,說明外生菌根真菌群落受生態(tài)環(huán)境條件的顯著影響。

圖5 內(nèi)蒙古白樺根圍土壤外生菌根真菌群落主成分分析(PCA)Fig.5 PCA analysis of Betula platyphylla root-associated ECM fungal OTUs in Inner Mongolia

2.5 土壤理化性質(zhì)對白樺外生菌根真菌群落結(jié)構(gòu)的影響

采用RDA法和Pearson相關(guān)性分析法分析了土壤理化性質(zhì)對白樺外生菌根真菌多樣性及群落結(jié)構(gòu)的影響(表3,表4,表5,圖6)。結(jié)果表明,所有因子共解釋了外生菌根真菌群落變異的88.9%(表3),其中pH值、總氮、土壤含水量和速效鉀對外生菌根真菌的分布均有極顯著影響,pH值對外生菌根真菌多樣性及群落結(jié)構(gòu)變化的解釋度最高,為34.3%,其次為總氮、土壤含水量和速效鉀,解釋度分別為25.1%、16.8%和5.4%。

圖6 白樺外生菌根真菌群落結(jié)構(gòu)(屬水平)與生態(tài)環(huán)境因子的冗余分析(RDA)Fig.6 RDA analysis between eo-environmental factors and ectomycorrhizal fungal community structure on generic level of Betula platyphylla

表3 生態(tài)環(huán)境因子對內(nèi)蒙古白樺外生菌根真菌群落組成的db-RDA分析Table 3 Results for db-RDA testing effects of eco-environmental factors on the composition of ectomycorrhizal fungal communities

土壤理化性質(zhì)對白樺外生菌根真菌優(yōu)勢屬的影響的分析表明(表4),土壤pH值與年平均溫度呈極顯著正相關(guān),與年平均降水量呈極顯著負(fù)相關(guān),與有效磷和有機質(zhì)含量呈顯著負(fù)相關(guān)(表5)；與相對豐度最高的紅菇屬和Piloderma呈極顯著負(fù)相關(guān),與蠟殼耳屬和一個未識別屬的相對豐度呈極顯著正相關(guān)；與粉孢牛肝菌屬和革菌屬呈顯著正相關(guān)?？偟退傩р洺蕵O顯著正相關(guān)(表5),且二者均與絲膜菌屬、鎖瑚菌屬、輻片包屬、蠟傘屬呈極顯著或顯著正相關(guān),與空團菌屬呈顯著負(fù)相關(guān)。土壤含水量與土壤有機質(zhì)和有效磷呈極顯著正相關(guān),與年平均溫度呈顯著負(fù)相關(guān)；與Piloderma呈極顯著正相關(guān),與絲蓋傘屬、空團菌屬和鵝膏菌屬呈極顯著或顯著負(fù)相關(guān)。

表4 內(nèi)蒙古白樺外生菌根真菌屬水平群落結(jié)構(gòu)與生態(tài)環(huán)境因子的相關(guān)性分析Table 4 Correlation analysis between eco-environmental factors and ectomycorrhizal fungal community on generic level of Betula platyphylla in Inner Mongolia

表5 生態(tài)環(huán)境因子間的Pearson相關(guān)性分析Table 5 Pearson correlation coefficients between eco-environmental factors

3 討論

3.1 內(nèi)蒙古白樺根圍土壤外生菌根真菌群落結(jié)構(gòu)

內(nèi)蒙古白樺根圍土壤中共獲得261個外生菌根真菌OTUs,隸屬于2門、4綱、11目、29科、50屬,表明白樺根圍有相當(dāng)豐富的外生菌根真菌群落,這與我們提出的假設(shè)相符。外生菌根真菌中,絕大部分為擔(dān)子菌門(Basidiomycota)真菌,相對豐度占93.5%；其余為子囊菌門(Ascomycota)真菌,相對豐度占6.5%。子囊菌門和擔(dān)子菌門真菌是土壤中的主要分解群落[23—24],擔(dān)子菌門真菌營腐生或寄生,分解木質(zhì)纖維素的能力較強[24—25]。研究表明,一些擔(dān)子菌門外生菌根真菌可利用氧化酶將葉片凋落物中的有機養(yǎng)分無機化,進而將養(yǎng)分轉(zhuǎn)化為植物可利用的形式[6,26—27]；還有些外生菌根真菌可以產(chǎn)生胞外酶,例如纖維素酶、半纖維素酶和多酚氧化酶,促進植物凋落物成分的降解[28—29]。子囊菌門真菌大多為腐生菌,可以分解難降解性有機質(zhì),如木質(zhì)素和角質(zhì)素,在森林生態(tài)系統(tǒng)養(yǎng)分循環(huán)中起著重要作用[30]。土壤中的腐生微生物分解林下植被凋落物為土壤提供了養(yǎng)分,這些養(yǎng)分又為真菌的生長繁殖提供了營養(yǎng),營養(yǎng)元素在真菌與林下植被之間形成循環(huán)。研究表明土壤生物多樣性與多種生態(tài)系統(tǒng)功能(養(yǎng)分循環(huán)、分解、植物生產(chǎn),以及降低潛在致病性等)表現(xiàn)出顯著的正相關(guān)關(guān)系[31]。因此,白樺根圍豐富的外生菌根真菌群落在維持森林生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定和養(yǎng)分循環(huán)中發(fā)揮著重要作用。

本研究中5個樣地的共有屬僅有3個,分別為紅菇屬、蠟殼耳屬和絲膜菌屬,這3個屬也是內(nèi)蒙古地區(qū)白樺根圍土壤中相對豐度最高的3個屬,3個屬的豐度之和占所有優(yōu)勢外生菌根真菌的63.72%。5個樣地東西相距約2000km,在氣候、地理、土壤等方面均有顯著差異,說明這3個屬的真菌生境適應(yīng)性廣。這與其他研究者的結(jié)論一致,他們認(rèn)為紅菇屬和絲膜菌屬真菌廣泛分布在溫帶地區(qū),能和多種喬木或灌木共生[33—34],是白樺的優(yōu)勢外生菌根真菌[20],甚至有報道說這2個屬的相對豐度呈線性相關(guān)[35]。研究表明,絲膜菌屬真菌可分泌大量的過氧化物酶[36],在降解白樺林下枯枝落葉時可能發(fā)揮了重要作用。據(jù)報道,蠟殼耳屬也廣泛分布在各種森林生態(tài)系統(tǒng)中,幾乎沒有宿主特異性[37]。研究表明,空團菌屬真菌生境范圍非常廣泛,沒有明顯的宿主特異性,被認(rèn)為是全球森林生態(tài)系統(tǒng)中的優(yōu)勢菌,而且在惡劣條件下常為優(yōu)勢菌根真菌[38]。本研究中空團菌屬也是白樺的優(yōu)勢外生菌根真菌,在HGL樣地的相對豐度顯著高于其它4個樣地,而HGL樣地的土壤含水量顯著低于其它4個樣地,分析結(jié)果也表明空團菌屬的相對豐度與土壤含水量呈極顯著負(fù)相關(guān)(表4)?？請F菌屬在干旱條件下能成為優(yōu)勢菌的原因可能是由于該屬真菌與宿主植物形成外生菌根的菌套和哈蒂氏網(wǎng)結(jié)構(gòu)致密,菌絲套外層細(xì)胞的細(xì)胞壁較厚,這種結(jié)構(gòu)可使菌絲體和菌根在干旱情況下存活,同時可以減少干旱對宿主植物的影響[39]。

本研究中,白樺根圍外生菌根真菌群落結(jié)構(gòu)隨采樣地的不同而出現(xiàn)動態(tài)變化,5個采樣點在外生菌根真菌優(yōu)勢屬的組成上存在顯著差異,表明5個樣地的真菌群落結(jié)構(gòu)有所差異,而且部分優(yōu)勢屬的相對豐度在不同樣地間存在顯著差異(表2),白樺的3個絕對優(yōu)勢外生菌根真菌屬中,蠟殼耳屬真菌是內(nèi)蒙古西部(HLS和WLS)的優(yōu)勢菌,絲膜菌屬真菌是內(nèi)蒙古中部(XJG)的優(yōu)勢菌,而內(nèi)蒙古東部(HGL和GH)的優(yōu)勢菌則為紅菇屬。另外有些屬僅出現(xiàn)在某一樣地,如粉褶蕈屬僅出現(xiàn)在HLS,輻片包屬僅出現(xiàn)在XJG,而粉孢牛肝菌屬僅在HLS和WLS出現(xiàn)。上述研究結(jié)果與我們提出的假設(shè)一致,不同采樣點的優(yōu)勢外生菌根真菌有所不同,其他學(xué)者也認(rèn)為特定環(huán)境中有一群相對豐度較高的真菌[11]。這是由于本研究中的5個樣點在地理距離上有較大跨越,各地的生態(tài)環(huán)境因子差異顯著,而大量研究均表明外生菌根真菌群落結(jié)構(gòu)受多種環(huán)境因素的共同影響[1—3]。另外,也和不同樣地外生菌根真菌所處的微環(huán)境不同有關(guān),本研究中采樣地的建群種雖然都是白樺,但由于林下伴生灌木及草本不同,外生菌根真菌可利用的凋落物資源的復(fù)雜程度不同[40],導(dǎo)致其群落結(jié)構(gòu)有一定差異。

3.2 白樺根圍外生菌根真菌群落結(jié)構(gòu)的驅(qū)動因素

土壤微生物群落是一個動態(tài)變化的自組織系統(tǒng),其群落結(jié)構(gòu)和多樣性受多種環(huán)境因素的共同影響,如植被因素、氣候因素、環(huán)境因素和土壤因素等。本研究中,所有因子共解釋了外生菌根真菌群落變異的88.9%,其中pH值、總氮、土壤含水量和速效鉀對外生菌根真菌的分布均有極顯著影響,pH值對外生菌根真菌多樣性及群落結(jié)構(gòu)變化的解釋度最高,其次為總氮、土壤含水量和速效鉀,表明土壤因子在形成外生菌根真菌群落結(jié)構(gòu)中發(fā)揮了重要作用,也印證了我們提出的假設(shè)。

研究表明,在全球范圍內(nèi)pH值是影響土壤微生物多樣性的重要因素[14—15,17,26,31]。本研究在較大尺度范圍內(nèi)對白樺根圍外生菌根真菌群落結(jié)構(gòu)的分析也支持了上述結(jié)論。內(nèi)蒙古東西跨越約2400km,樣地內(nèi)土壤pH值有明顯的變化趨勢,由最西部的HLS的堿性土壤(pH=7.93)逐漸過渡為根河的酸性土壤(pH=4.13)。外生菌根真菌群落對pH 的變化也表現(xiàn)出了相應(yīng)的響應(yīng),相對豐度最高的紅菇屬和優(yōu)勢真菌Piloderma均與pH呈極顯著負(fù)相關(guān),相對豐度其次的蠟殼耳屬和優(yōu)勢真菌粉孢牛肝菌屬、革菌屬與pH呈極顯著或顯著正相關(guān)。另外,土壤pH值與年平均溫度呈極顯著正相關(guān),與年平均降水量、有效磷、土壤有機質(zhì)含量呈極顯著或顯著負(fù)相關(guān)。研究表明,這些因子均對外生菌根真菌群落結(jié)構(gòu)有影響[41]。本研究中,pH對外生菌根真菌的物種多樣性及豐富度有顯著影響,這可能是由于外生菌根真菌在與宿主共生過程中產(chǎn)生了大量的有機酸,降低了土壤pH值,改變了環(huán)境因素(如養(yǎng)分有效性、有機碳)和林下植被結(jié)構(gòu),進而影響了外生菌根真菌群落結(jié)構(gòu)[42]。

大量研究表明,土壤氮含量對外生菌根真菌群落結(jié)構(gòu)產(chǎn)生顯著影響[43],本研究結(jié)果也支持了上述結(jié)論,土壤氮含量是影響白樺外生菌根真菌群落結(jié)構(gòu)的重要因子,與相對豐度最高的紅菇屬的相對豐度呈顯著負(fù)相關(guān)。研究表明,紅菇屬對土壤氮水平高度敏感[44],與本研究結(jié)果一致。土壤氮含量可能是通過影響地上植被的多樣性和優(yōu)勢度進而對土壤微生物群落結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響[43]。在全球范圍內(nèi)土壤含水量是影響土壤微生物豐度的另一個重要因素[17,26,31]。空團菌屬被認(rèn)為是干旱條件下森林生態(tài)系統(tǒng)的主要外生菌根真菌[45],本研究結(jié)果也充分證明了這一觀點,5個樣地中HGL的土壤含水量最低,而該樣地內(nèi)空團菌屬的相對豐度顯著高于其它4個樣地。本研究樣地在經(jīng)度上有較大跨越,各采樣點的土壤水分條件差異顯著,因此各采樣點的外生菌根真菌的群落組成有顯著差異。土壤含水量可能通過影響土壤中的各類化學(xué)過程和生物過程,進而影響土壤水中的化學(xué)離子含量,從而對土壤的pH值產(chǎn)生影響。

在大空間尺度上溫度是森林土壤中微生物多樣性最重要的調(diào)控因素[16]。研究表明,年均溫和年降水量是外生菌根真菌群落的重要驅(qū)動因子[41]。而本研究中,雖然年均溫和年降水量在5個樣地間均有顯著差異,但對外生菌根真菌群落結(jié)構(gòu)并沒有顯著影響?？赡艿脑蚴?采樣時間均為夏季,是一年中溫度最高的季節(jié),而幾個采樣點的年降水量也主要集中在這個季節(jié),因此適宜的溫度和充足的降水量并沒有形成微生物生長繁殖的制約因素。這也與其他研究者的結(jié)論相符,即在不同的地理尺度上,土壤微生物多樣性變化的關(guān)鍵驅(qū)動因子有所不同,即表現(xiàn)出一定的尺度依賴性[1—3]。

本研究中,基于RDA和SPSS相關(guān)性分析,土壤因子對外生菌根真菌群落結(jié)構(gòu)有顯著影響。近年來,環(huán)境因子對外生菌根真菌群落結(jié)構(gòu)的影響有大量的報道[31,34,44]。眾所周知,常見的真菌類群在適宜的土壤養(yǎng)分、含水量條件下生長良好[46],如某些真菌的相對豐度隨pH值的增加而降低,而有些則呈現(xiàn)相反的趨勢[15]；相似地,某些真菌類群隨營養(yǎng)物質(zhì)的增加而增加,而有些則受到了抑制[30,44]。這些結(jié)果表明,不同的真菌類群常有不同的生態(tài)位?？傊?本研究結(jié)果表明生態(tài)環(huán)境因子對外生菌根真菌群落結(jié)構(gòu)有顯著影響。大部分的外生菌根真菌與生態(tài)環(huán)境因子有顯著相關(guān)性,體現(xiàn)了真菌可以作為森林狀態(tài)和環(huán)境條件的地下指示物種的價值[47],同時也說明了外生菌根真菌的生態(tài)特異性。因此,確定菌根真菌的全球分布特征并確定控制這種分布的因素是了解森林生態(tài)系統(tǒng)目前和未來功能的必要條件[26]。

4 結(jié)論

內(nèi)蒙古白樺根圍土壤外生菌根真菌隸屬于2門、4綱、11目、29科、50屬,絕大部分為擔(dān)子菌門真菌(相對豐度93.5%),子囊菌門占6.5%。紅菇屬、蠟殼耳屬和絲膜菌屬是白樺的優(yōu)勢外生菌根真菌,也是5個樣地僅有的3個共有屬。外生菌根真菌群落結(jié)構(gòu)受土壤理化性質(zhì)的顯著影響,其中pH值、總氮、土壤含水量和速效鉀對外生菌根真菌的分布均有極顯著影響。大部分的外生菌根真菌屬與土壤理化性質(zhì)有顯著相關(guān)性,體現(xiàn)了外生菌根真菌可以作為生態(tài)環(huán)境條件的地下指示物種的潛在價值。研究結(jié)果有助于揭示跨氣候帶土壤微生物群落演替對環(huán)境條件變化的響應(yīng)機制,為了解森林生態(tài)系統(tǒng)中土壤微生物群落構(gòu)建特征及預(yù)測未來環(huán)境變化的影響提供科學(xué)依據(jù)。