科研 | Journal of Ecology：高温干旱对植物-土壤微生物相互作用的生态学和演化的影响 / 四六文摘

编译：艾奥里亚，编辑：十九、江舜尧。

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导读

背景：气候变化正在改变物种的分布，并可能对生态间物种的相互作用和进化产生深远的影响。然而，有关温度升高和降雨模式的改变对植物及其相关根系共生菌之间的相互作用的影响知之甚少。

方法：本研究中，基于三个来源的种子和土壤微生物群落的多因素交互生长室实验探究了温度和土壤水分对多年生草本植物生长、丛枝菌根（AM）真菌定殖以及根系相关真菌群落的影响。此外，研究者测定了当植物与土著土壤生物群一起生长时，植物和AM真菌所表观出的相关关系。

结果：温度和土壤水分一般会促进植物的生长，温度会增加AM真菌的定殖率。植物对温度的响应强度和方向依赖于土壤水分，并且不同植物种群之间存在差异，AM真菌的定殖进一步受到土壤微生物群落来源的影响。根际相关真菌群落结构受温度、土壤水分和土壤微生物来源的影响，微生物来源与非生物环境之间存在交互作用。当植物与土著土壤微生物一起生长时，植物生物量较低，这可能是由于种内植物土壤负反馈的作用。

总结：研究结果表明，除了随着温度的升高，植物的生长和真菌的定植相对均匀之外，不同来源的植物和根相关真菌对气候变化（即高温和降雨变化）的响应也会有所不同。这可能在生态或者植物与微生物相互作用进化方面，造成明显的、难以预测的空间和时间上的变化。

论文ID

原名：The impact of elevated temperature and drought on the ecology and evolution of plant-soil microbe interactions

译名：高温干旱对植物-土壤微生物相互作用的生态学和演化的影响

期刊：Journal of Ecology

IF：5.687

发表时间：2019

通讯作者：Pil U. Rasmussen

通讯作者单位：斯德哥尔摩大学（Stockholm University）

结果

1 气候对植物生态以及根际相关真菌生态的影响

1.1 环境因素对幼苗出苗和植物生长的影响

除了34个没有幼苗生长的盆栽以外，在大多数盆栽中，都存在一株或两株幼苗生长。本研究探究的主要效应因素并不影响幼苗的出苗率（表1）。出苗受到植物来源和温度之间的相互作用的影响，与来自沿海和森林样地的幼苗不同，在高温度处理中，来自草甸样地的幼苗出苗率更高（图1）。同样研究发现土壤微生物来源与土壤含水量之间具有显著的相互作用关系，但这种相互作用仅仅是由无菌处理土壤中的植物和接种了土壤微生物群落的植物之间的差异所驱动的。

表1 植物来源、土壤微生物来源、温度、土壤水分及其双向交互作用和母本植物对幼苗出苗和 Plantago lanceolata生长特性的影响。

图1 温度和植物来源对幼苗出苗数量的影响（n=192）。所示的是一个交互作用图，其中这些线连接每个治疗组合的平均值。

较高的温度和土壤湿度导致大多数植物生长性状的增加（图2a-b，表1），同时一些植物生长性状受到植物来源的影响。土壤微生物来源对地上部分和根重以及根/冠比有显著的影响（图2 g-i），但这种模式与温度、土壤湿度和植物来源所产生的影响不同，土壤微生物来源所产生的影响主要由无菌处理所驱动。在无菌土壤中生长的植株较大，特别是在根生物量方面（图2h）。在无菌土壤中生长的植物的根冠比接种微生物群落生长的植物要大得多（图2i），这一结果表明，无菌土壤对根部分的影响相对大于对地上部分的影响。本研究发现，这些相互作用关系中存在几个显著的双向相互作用，而这些相互作用关系中都包含温度因素（图2）。

图2 温度与土壤水分（a-c），温度与植物来源（d-f）以及温度和土壤微生物来源（g-i）对Plantago lanceolata丰收期叶长，根系生物量以及根冠比的影响（n=158）。图中以不同作用的交互作用图表示，其中线条连接每个处理组合的平均值。

温度在不同植物群体中对叶长和根冠比的影响不同，而对根际生物量却没有这种影响（图2d-f），而土壤水分对根际生物量和根/冠比的影响因温度处理而异（图2 b-c）。温度同样也改变了土壤微生物来源所产生的影响（图2 g-i，表1），但与土壤微生物来源的显著主要影响相一致，这种模式是由生长在有微生物和无菌的土壤中的植物的不同差异所驱动的。值得注意的是，虽然温度的影响在新出现的幼苗中已经很明显，但植物来源的影响在实验结束时变得更加明显。

1.2 环境因素对根相关真菌的影响

研究者在所有处理组合中均检测到了大量的真菌多样性（图3）。除两种特别丰富的真菌外，大多数真菌都以相对较低的丰度存在（图3）。植物病原体复合物Olpidium brassicaea，就像Olpidium virulentus一样，在所有处理组合中均具有最高的相对丰度，而第二丰富的物种，酵母菌Apiotrichum xylopini仅在低温和低土壤水分处理中以及源自沿海样地的植物和土壤中较丰富（图3）。

图3 根际相关真菌物种在不同处理组合中的相对比例取决于植物来源、土壤微生物来源、温度和土壤水分。Plant代表植物来源，Soil代表土壤微生物来源，Temp代表温度，Moisture代表土壤水分，H、L分别代表高和低，Coast，Forest以及Meadow代表三个不同样地。

根际相关真菌群落的主要驱动力是温度和土壤微生物群落的来源。丛枝菌根（AM）真菌在高温下表现出较高的定植率，这种条件下根际相关真菌丰富度较低（图4a-b，表2）。温度同样会影响真菌群落的组成（表2）。当植物种植在森林土壤生物群相关土壤中时，AM真菌定殖率和根际相关真菌丰富度较低；当植物种植在源自沿海土壤样地时，AM真菌定殖率和根际相关真菌丰富度适中；当植物种植在源自草甸土壤样地时，AM真菌定殖率和根际相关真菌丰富度较高（图4 c-d，表2）。土壤微生物来源对根际相关真菌群落组成也有很大影响（图5，表2）。值得注意的是，沿海和草甸地土壤真菌群落组成与原始土壤群落组成相重叠，而林地土壤真菌群落组成与原始土壤群落组成不同（图5，表2）。土壤水分直接和交互地影响着根相关真菌群落的组成。不同植物来源的多样性和组成具有显著差异（表2）。

表2 植物来源、土壤微生物来源、温度、土壤水分及其双向交互作用和母本植物对AM真菌定殖和Plantago lanceolata植物根际相关真菌丰富度、多样性和群落组成的影响

图4 温度（a-b）和土壤微生物来源（c-d）对Plantago lanceolata植物根系AM真菌定植以及根际相关真菌丰富度的影响（n=116）。图中以箱线图表示，其中粗线代表中间值，方框表示第一和第三分位数，而上下虚线则表示最小和最大值，或数据中间四分位数范围的1.5倍（以较小者为准）。

图5 基于CCA分析探究了温度（a），土壤水分（b），植物来源（c）以及土壤微生物来源（d）对Plantago lanceolata植物根际相关真菌群落组成的影响。

2 气候对植物和AM真菌适应的影响

与非土著土壤微生物群落相比，当植物生长在土著生长土壤微生物相关土壤样本中时，植物生长有所降低（图6a-b）。AM真菌的定植水平受植物与土壤微生物来源相互作用的影响，但植物在土著土壤微生物相关土壤和非土著土壤微生物相关土壤生长的两组间，研究者并未检测到AM真菌定殖率的差异（图6c）。

图6 Plantago lanceolata植物地上部份生物量（a）；根生物量（b）以及植物种植在土著微生物土壤中和非土著微生物土壤中AM定植量（c）。a-b以箱线图表示，其中粗线代表中间值，方框表示第一和第三分位数，而上下虚线则表示最小和最大值，或数据中间四分位数范围的1.5倍（以较小者为准）；c中以平均值±标准差的形式以柱状图表示。

3 总结

研究结果表明，气候变化（高温和干旱）可能对植物生长和根际相关真菌群落结构产生很大影响，但由于植物基因和土壤微生物群落的空间差异，植物所表现出的响应方向和强度在不同微环境中有所不同。这表明，在自然系统中，温度升高可能对植物-土壤微生物相互作用产生不同的影响结果。植物在土著土壤微生物群落中表现较差，这种模式可能受到种内植物-土壤负反馈的驱动。但研究者没有检测到气候（如温度或干旱）会影响这种不利模式的迹象；然而，当植物和微生物将它们的分布改变到一个新的范围时，植物的表现可能会在最初的定殖阶段高于预期。未来的研究可能会进一步研究植物对土著土壤微生物群落适应能力的重要性和两者之间的平衡，以及有益和致病的土壤微生物群落对当地植物基因型的适应作用。为此，研究者可以结合详细的生长实验，通过实验现场操作聚焦于潜在机制，以观察自然种群的生态和进化动态的实现结果。这些知识可能有助于恢复和可持续管理的有效性，同时提高我们减轻人为环境变化对植物和土壤微生物的影响的能力。

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