科研 | SBB：六年持续气候变暖显著改变了土壤总的和活性的真菌群落
编译：吴军，编辑：小菌菌、江舜尧。
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青藏高原是全球气候变化的敏感区，放牧是其主要的土地利用方式。尽管土壤微生物在决定生态系统对全球变化及人类活动的反馈中扮演着重要角色，但有关土壤微生物对气候变化及人类活动响应的认识仍存较大空缺，这在青藏高原地区表现得尤为突出。基于此，本研究在青藏高原海北定位站开展了为期六年的增温、放牧实验，旨在揭示土壤微生物群落对增温和放牧的响应。研究发现：为期六年的增温倾向于降低真菌活性，减弱其种间相互作用，增加寡营养型真菌丰度，减少丛枝真菌丰度；但为期六年的放牧未对土壤总真菌及活性真菌群落产生显著响应。这表明全球变暖会减弱高寒草甸土壤真菌在降解活性有机质以及辅助植物吸收养分等方面的作用，而长期放牧历史已使得高寒草甸土壤真菌群落对中等强度的放牧处理不再敏感。
论文ID
原名：Total and active soil fungal community profiles were significantly altered by six years of warming but not by grazing
译名：六年持续气候变暖显著改变了土壤总的和活性的真菌群落
期刊：Soil Biology & Biochemistry
IF：5.257
发表时间：2019.12
通信作者：崔晓勇
第一作者：车荣晓
通信作者单位：中国科学院大学生命科学学院
实验设计
结果
1、土壤真菌丰度、活性及多样性
增温、放牧或者二者组合均对土壤真菌丰度以及rDNA转录活性没有显著影响。然而，放牧处理使得土壤真菌丰度下降36.24%，增温使得土壤真菌平均转录活性下降34.05%（图1；表1）。土壤真菌菌群丰度和群落分散度没有受到处理影响，但是增温显著抑制了活性真菌的Chao1指数，但是提高了菌群的分散度（图2）。
图1 增温和放牧对土壤真菌丰度和rDNA转录活性的影响。G·表示放牧的影响很小，0.05<p<0.1；W·表示增温效果不明显，0.05<p<0.1。
图2 增温和放牧对土壤真菌多样性的影响。W*：增温效果显著，0.01<p<0.05。
2、土壤真菌群落组成
超过60%的土壤真菌和大约一半的活性土壤真菌被分类为子囊菌纲，并进一步被鉴定为梭状芽孢杆菌、多蒂芽孢杆菌、莱奥菌属、培氏菌属、欧氏菌属和培氏菌属（图S1）。担子菌中大部分是琼脂菌，约占土壤真菌群落的20%（图S1）。球孢菌仅占土壤真菌群落总数的2%左右。然而，它们的相对丰度在活性土壤真菌群落中均占了10%以上（图S1）。除此之外，还发现了霉菌，粘液霉，乳糜三叉菌，单睑菌，罗兹霉科、间壁霉科、嗅瘤霉科和虫媒霉科，但其频率在绝大多数土壤样本低于1%。约2.96%-31.45%的土壤真菌不能够注释已知的门。
土壤真菌群落与活性土壤真菌群落存在差异显著（p<0.001；图S2）。增温处理显著改变了总的土壤真菌和活跃的真菌群落组成（图3；表1）。NMDS，PERMANOVA和LEfSe分析结果表明，土壤活性真菌对于增温处理更加敏感（图3）。在活跃的土壤真菌菌群中，多菌纲，蘑菇纲，欧菌纲，多孢纲，皮脂腺，双鞘翅科，毛孢科，小菜蛾科，卵囊科和莱克特拉属菌在增温条件下显著富集（3d）。相反，乳糜三叉霉科、囊腺科、三孢纲、球孢纲、假丝酵母科、锁骨菌科、牛肝菌科、红豆杉科、小豆科、乳酪菌属、葡萄球菌属、镰刀菌属，雷默松属、迈锡纳属、鹦鹉螺属及其一些亚种菌类在增温条件下显著减少。然而，放牧和暖牧交互作用对土壤真菌组成无显著影响（图3；表1）。
NMDS分析结果表明，土壤总真菌群落和活性真菌群落与土壤温度和微生物呼吸速率显著相关（图3a和b）。此外，活性土壤真菌群落与土壤水分和地下植物生物量呈显著相关（图3b）。
图3 土壤真菌群落对暖化和放牧的响应。在OTU水平上对土壤总（a）和活性（b）真菌群落进行NMDS排序。带箭头线条代表了与真菌群落特征显著相关的环境因素。SMR：土壤微生物呼吸。W*：暖化效应在0.01<p<0.05时显著；W*：暖化效应在p<0.001时显著。通过LDA效应大小（LEfSe），以绝对对数LDA评分阈值3.0进一步评估增温对总（c）和活性（d）土壤真菌谱系相对丰度的影响。
3、土壤真菌间的互作
互作网络分析表明土壤真菌之间的相互作用在升温条件下减弱（图4；表S3）。增温降低了土壤真菌之间互作的数量以及互作强度，增温使得总真菌群落中互作的OTU数量从1554降到了1057（图4）。对于活性土壤真菌，增温只是稍微将互作OTU从1126降到了1043。有趣的是，在增温条件下，土壤真菌的交互作用衰减主要是由正相互作用减少引起的（图4；S3）。
图4 土壤真菌总类群和活性类群的共存模式。节点的大小与每个节点的链接数成正比。每对节点之间的线表示正（橙色）和负（蓝色）交互作用，这里只分析了300个主要OTU。
4、土壤真菌的功能预测
大多数真菌功能群的相对丰度没有受到实验处理的影响，如动物病原体、植物病原体和内生菌（图5；1）。然而，增温处理显著降低了丛枝菌根真菌的比例（图5），减少的丛枝菌根真菌在土壤总的和活性的真菌群落中的比例分别为29.44%和48.97%（图5）。此外，相关的活性腐生真菌的丰度也在增温条件下显著降低了25.46%（p＜0.018；5）。相反，放牧和暖化放牧交互作用只对寄生菌根、外生菌根和丛枝菌根的比例有轻微影响（图5；表1）。
图5.不同处理下的假定真菌功能图谱。G：放牧效应；W：增温效应；W—G：增温与放牧的相互作用；W—G：增温效应为边际效应；·表示该处理效应低下，0.05<p<0.1；*表示处理效应显著，0.01<p<0.05；**表示处理效应显著，0.001<p<0.01。
讨论
1、气候变暖对土壤真菌群落的影响取决于时间长短
截至目前，已经有一些研究证明了气候变暖确实对土壤真菌群落存在影响。然而，之前的一项研究发现，三年的升温对西藏土壤真菌群落结构没有显著影响。在本研究中，经过6年的增温处理后，土壤真菌群落和活性土壤真菌群落都发生了显著的变化（图3）。我们最近的研究同样表明了原核生物群落结构在3年气候变暖下没有明显变化，而当时间达到6年时发生了显著变化。因此，土壤中的微生物对气候变暖表现出显著的反应可能需要足够的时间积累。此外，我们发现活性真菌群落对增温的反应比土壤总真菌群落的反应更加敏感（图3）。这些发现表明升温对土壤真菌群落的影响在不久的将来会更明显。
2、六年的增温可能会使土壤真菌群落趋于营养不良状态
土壤真菌，特别是腐生菌系，被认为是土壤有机质的重要分解者物质。在这项研究发现，在增温条件下，活性腐生菌的相对丰度显著降低（图5n），这表明暖化可能削弱土壤真菌矿化有机质的能力。在增温条件下，座囊菌纲相对丰度增加（图3），这也表明增温可能会使真菌群落转向一个更贫营养的状态。最后，在温度升高的情况下，土壤真菌平均转录活性趋于下降（图1）。总体而言，与我们的假设一致，增温导致寡营养型真菌丰度升高，而活性的土壤真菌丰度降低。此外，在我们最近的研究中发现，在温暖的土壤中，微生物呼吸强度降低，rDNA转录活性被抑制，并且寡营养型的原核生物丰度升高。这些结果表明，与短期增温相比，长期增温可能通过改变土壤微生物结构以及抑制rDNA转录的方式减少土壤有机质的微生物分解。
六年的暖化期可以通过以下方式将土壤真菌群落转变为更贫营养、更不活跃的状态。首先，暖化可以减少草地凋落物的有机碳输入，同时增加其在暖化前期的分解。这些改变也会降低底物的利用率，从而降低真菌的活性和腐生真菌的比例，并增加寡养菌的相对丰度。第二，水资源已经被认为是影响微生物群落的关键因素。实验性研究表明，增温可以降低土壤含水量，降低土壤养分的有效性，有利于寡营养微生物群落的形成。土壤含水量和活性真菌群落结构之间的显著相关性也证明了这一点（图3b）。第三，温度变化会导致不同微生物的选择性生长。因此温度升高可能直接导致真菌群落结构的变化，这也被土壤温度和微生物群落结构之间的显著相关性所支持（图3a和b）。
3、增温降低了土壤丛枝菌根真菌的相对丰度
在升温条件下，土壤真菌群落的另一个特征性变化是丛枝菌根真菌相对丰度显著降低（图5f-m）。然而，这一发现与早期的研究不一致，早期的研究表明，丛枝菌根真菌的丰度不受三年或四年升温的影响，这进一步突出了升温时间对土壤微生物的显著影响。丛枝菌根真菌在促进植物养分吸收方面的关键作用已被许多研究所认识。因此，在暖化条件下，丛枝菌根真菌比例的降低可以表明植物养分吸收策略的改变。事实上，有研究在阿尔卑斯山上已经观察到在变暖的情况下植物地下生物量发生了增加。因此，在长期变暖情况下，高寒草甸植物可能更喜欢通过根系而不是通过共生菌根吸收养分。
4、利用ITS2区鉴定丛枝菌根真菌是更优的方法
ITS在丛枝菌根真菌群落鉴定中的应用有争议，最近数百项研究利用ITS测序和FUNguild的方法预测土壤丛枝菌根真菌和其他真菌功能群。在完全相同的研究地点，也有人用了传统的18S rDNA的方法研究了土壤丛枝菌根真菌多样性。我们发现，本研究所采用的基于ITS的方法在分析丛枝菌根真菌多样性方面明显优于以往的基于18S rDNA的方法。在本研究中，基于FUNguild预测，我们观察到155个丛枝菌根真菌OTUs，而之前的研究只报道了54个土壤中的丛枝菌根真菌OTUs。在家系水平上，在本研究中检测到先前研究中观察到的所有丛枝菌根真菌家族（表S4）。在本研究中观察到两个在先前研究中未报告的额外丛枝菌根真菌家族（S4）。在大多数丛枝菌根真菌家族中，本研究中的OTU数量明显高于先前的研究。总体而言，尽管在选择描述丛枝菌根真菌群落的分子标记方面存在争议，但在本研究中，ITS引物可能比18SrDNA引物更有利于研究土壤丛枝菌根真菌。
5、土壤真菌类群间的相互作用在六年增温处理后被削弱
根据生态学的代谢理论和前人的研究，微生物类群间的相互作用应在增温条件下加强。然而，在本研究中，真菌之间的相互作用在升温条件下减弱（4），这突出了理论的局限性。一种解释是因为在暖化条件下活性真菌群落多样性的减少（图2）。事实上，活性较低的真菌表明，更多的真菌物种可能已经进入休眠状态。休眠真菌通常与其他土壤微生物联系较少，因此休眠真菌种类的增加必然降低真菌相互作用的复杂性。此外，在暖化条件下，土壤真菌群落中正交互作用的减少表明暖化主要削弱了真菌物种间的合作。
6、土壤真菌群落对中度放牧不敏感
与我们的假设相反，放牧对土壤真菌群落没有显著影响。与我们的假设不一致的一个可能原因是，西藏高寒草甸长期的放牧历史赋予了适度放牧较高的生态系统恢复力。事实上，在西藏高寒草甸，一些研究表明适度放牧对土壤微生物及其相关生态系统的影响很小。因此在全球变暖的影响下，适度放牧对西藏土壤微生物的影响可以忽略不计。然而，未来的研究需要进一步确定放牧对土壤微生物的影响。
结论
本研究表明，增温显著增加了一些潜在的寡营养菌系的比例，但降低了丛枝菌根和活性腐生菌的比例。此外，升温还减弱了真菌物种间的正相互作用，降低了活性真菌群落的Chao 1指数，并有抑制真菌rDNA转录的趋势。但放牧与暖化放牧交互作用对土壤真菌群落没有显著影响。这些结果表明，全球变暖可能削弱真菌在分解土壤有机质和协助植物吸收养分方面的作用。
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