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

柳葉 任悅 高廣磊,2,3,? 丁國棟,2,3 張英,2,3 趙珮杉 王家源

北京大學(xué)學(xué)報(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)科技計劃項目(2022YFHH0131)和中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費項目(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)動態(tài)特征及其對氣候因子的響應(yīng)

柳葉1任悅1高廣磊1,2,3,?丁國棟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)國家定位觀測研究站, 鹽池 751500; 3.水土保持國家林業(yè)和草原局重點實驗室, 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)系的動態(tài)特征, 以毛烏素沙地樟子松人工林為研究對象, 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)生長階段(生長季初期、旺盛期和末期)樟子松根內(nèi)真菌群落共現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)動態(tài)特征及其對氣候因子的響應(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; 在不同生長季階段, 根內(nèi)真菌共現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)差異明顯, 生長季旺盛期, 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)在不同生長季階段的動態(tài)變化強于不同林齡階段, 且生長季旺盛期共現(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濕度影響。腐生真菌對維持不同林齡和不同生長季階段真菌網(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季旺盛期, 關(guān)鍵類群為腐生真菌和病原真菌, 對樟子松的生長和健康狀況有著潛在的影響。

沙生植物; 林齡; 生長季; 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水分和養(yǎng)分的吸收[1], 與寄主植物生長和健康狀況密切相關(guān)。其中, 外生菌根真菌通過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)營養(yǎng)和生長素等代謝產(chǎn)物, 增強植物抗逆性[2]; 病原真菌通過感染植物組織抑制其生長繁殖, 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分泌胞外酶, 分解利用有機質(zhì), 抑制病原真菌生長[4]。長期以來, 對根內(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], 研究成果對全面認(rèn)識理解根內(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、消極的競爭關(guān)系或中性相互作用[8]。根內(nèi)真菌的相互作用對生態(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]。在不同生長季階段, 林木生長主要受溫度和降水的調(diào)控[11]。一般來說, 溫度變化導(dǎo)致微生物類群的選擇性生長, 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)真菌對土壤水勢的耐受性或敏感度也不同, 會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會[13–14]。因此, 研究林木生長和氣候因子對根內(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)的動態(tài)特征和生態(tài)功能。

長期以來, 測試和分析手段的局限導(dǎo)致對根內(nèi)真菌相互作用的認(rèn)識和理解較為薄弱。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[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), 對深入認(rèn)識和理解根內(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種[17], 也是典型的菌根依賴型樹種, 其生長發(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)生長階段, 樟子松人工林根內(nèi)真菌群落共現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的動態(tài)特征及其對氣候因子的響應(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, 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, 年均日照時數(shù)為 2914 小時, 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, 有機質(zhì)含量低。優(yōu)勢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樣地, 分別隨機布設(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), 鏟去樹木基部半徑 1～2m 內(nèi)的地表凋落物后, 沿樹干根部挖至根的末級, 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)木隨機采集 3 個重復(fù)樣本, 并將其充分混合為1 個樣品。細(xì)根樣品配以少量土壤保鮮, 裝入塑封袋, 保存于–4°C 移動冰箱中, 帶回實驗室后–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抽提的基因組 DNA。采用 PCR 對根內(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′), 每個樣本重復(fù) 3 次。PCR 擴(kuò)增試驗采用 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, 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。檢測合格的 PCR 產(chǎn)物用于 MiSeq 上機測序。測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, 采用 BLAST 方法, 對比分析 I 代表序列。如果對比相似率≥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 FUNGuild 平臺(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

利用高通量測序獲得的 OTUs 數(shù)據(jù), 對不同林齡(中齡、近熟和成熟)及其年內(nèi)生長階段(生長季初期、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)行隨機網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建, 在不改變原有網(wǎng)絡(luò)節(jié)點和連線數(shù)的基礎(chǔ)上, 重新連接原網(wǎng)絡(luò)中不同位置的節(jié)點, 并構(gòu)建 1000 次隨機網(wǎng)絡(luò), 比較分子生態(tài)網(wǎng)絡(luò)與隨機網(wǎng)絡(luò)之間的差別。根據(jù)節(jié)點的模塊內(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(peripherals)。Z和P表征節(jié)點作用, 一般將Z≥2.5 或P≥0.62 的節(jié)點定為關(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)來自中國氣象數(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)驗網(wǎng)絡(luò)模塊化指數(shù)、平均路徑長和平均聚類系數(shù)均大于隨機網(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)。生長季旺盛期節(jié)點數(shù)和邊數(shù)明顯高于生長季初期和末期, 平均路徑長度最小, 但平均度最高。除生長季初期外, 各 OTU 之間均出現(xiàn)負(fù)相關(guān), 但各林齡和生長季呈正相關(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, 在不同生長季階段, 3 類功能群數(shù)量均先增大后減小, 生長季旺盛期達(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)點分別為 2 和 5 個 OTU, 中齡林均為連接器節(jié)點, 無模塊樞紐節(jié)點。不同生長季均無模塊樞紐和網(wǎng)絡(luò)樞紐節(jié)點, 起重要作用的節(jié)點均落于連接器區(qū)域。生長季內(nèi)各月連接器節(jié)點OTU 分別為 14, 21, 35, 74, 38 和 38 個, 生長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, 生長季初期共有12 個關(guān)鍵屬, 主要為外生菌根真菌, 包括地孔菌屬()和棉革菌屬()等; 生長季旺盛期共有 8 個關(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(); 生長季末期共有 8 個關(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 個關(guān)鍵屬, 分別是-和瓶毛殼屬(); 成熟林共有3 個共有屬, 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 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(表 5), 可以發(fā)現(xiàn), 總網(wǎng)絡(luò)與相對濕度呈極顯著相關(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)建的動態(tài)變化[21]。不同生長季階段則存在明顯的差異, 氣候的季節(jié)性變化更強烈地影響根內(nèi)真菌網(wǎng)絡(luò)。樟子松人工林根內(nèi)真菌群落網(wǎng)絡(luò)在生長季初期和末期的節(jié)點數(shù)和邊數(shù)明顯低于生長季旺盛期, 網(wǎng)絡(luò)更加簡單, 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, 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檢驗結(jié)果

說明: *<0.05, **<0.01。

本研究中, 不同林齡和不同生長季階段共現(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, 競爭關(guān)系較弱, 主要通過物種間的合作來抵抗干旱半干旱地區(qū)較為惡劣的環(huán)境條件[14,25]。此外, 生長季旺盛期負(fù)相關(guān)最多, 競爭加強, 主要原因是此階段病原真菌的增多及其活性的增強, 外生菌根真菌和腐生真菌對病原真菌直接或間接的拮抗作用也相應(yīng)地增強[18]。

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

平均降水量和相對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, 是樟子松的生長季旺盛期。降水增加了土壤含水量, 導(dǎo)致土壤相通過液壓連接變得更緊密, 生態(tài)位分化較弱, 進(jìn)而增強了生長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)比其他時期更加復(fù)雜[26]。樟子松生長季初期和末期, 毛烏素沙地降水量小, 根內(nèi)真菌群落則需要通過更多的正相互作用來緩解環(huán)境的脅迫, 同時擴(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)與相對濕度顯著相關(guān)(<0.05)。相對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[28]。毛烏素沙地 7—8 月相對濕度較高, 促進(jìn)樟子松氣孔張開, 且多數(shù)腐生真菌更偏好濕潤環(huán)境, 根內(nèi)真菌群落增強相互作用, 以便對植物養(yǎng)分的利用[29–30]。同時, 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會。

3.3 樟子松根內(nèi)真菌潛在生態(tài)功能

在不同林齡和生長季階段, 樟子松根內(nèi)真菌關(guān)鍵菌種存在動態(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]。隨著生長季的推移, 主要營養(yǎng)型由外生菌根真菌變?yōu)楦婢ＩL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]。生長季末期, 凋落物、動植物殘體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)鍵菌種在生長季旺盛期的作用便顯得尤為重要。

生長季旺盛期, 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)點數(shù)較少, 且相對豐度低, 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, 對馬唐()具有強致病性[34]; 籃狀菌是適應(yīng)性非常強的腐生真菌, 可幫助植物抑制病原真菌, 如黃色籃狀菌()對尖孢鐮刀菌()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, 可與病原真菌競爭植物表面營養(yǎng)及侵染位點, 形成保護(hù)屏障, 或與病原真菌競爭空間條件, 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)真菌并不存在競爭或拮抗關(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, 以腐生的營養(yǎng)方式生活[38–39]。此外, 磷是沙地樟子松林生長的重要限制因子, 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, 前人對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爭力, 可以滿足不同生態(tài)位的真菌生長[19,40]。

在針葉樹種凋落物分解過程中, 真菌群落需面對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季階段, 腐生真菌在土壤中具有較高的競爭力, 對維持真菌網(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時期, 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, 通過誘導(dǎo)樟子松免疫、分泌抗生素或與病原真菌競爭資源來促進(jìn)樟子松健康生長[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, 生長季旺盛期網(wǎng)絡(luò)比其他生長季階段更加復(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)的影響因子為相對濕度, 外生菌根真菌受相對濕度影響, 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濕度影響。較高降水量和濕度的生長季旺盛期, 關(guān)鍵類群為腐生真菌和病原真菌, 對樟子松的生長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