在森林地板的纏繞根部及其周?chē)婢图?xì)菌與樹(shù)木一起生長(zhǎng)，在廣闊的全球市場(chǎng)中交換碳的營(yíng)養(yǎng)。一項(xiàng)旨在繪制最豐富的這些共生關(guān)系的新努力 - 涉及超過(guò)110萬(wàn)個(gè)森林遺址和28,000種樹(shù)種 - 揭示了決定不同類(lèi)型的共生體何處繁盛的因素。這項(xiàng)工作可以幫助科學(xué)家了解共生伙伴關(guān)系如何構(gòu)建世界森林以及它們?nèi)绾问艿綒夂蜃兣挠绊憽?/p>
斯坦福大學(xué)的研究人員與200多名科學(xué)家一起工作，制作了這些地圖，于5月16日在“自然”雜志上發(fā)表。從工作中，他們揭示了一個(gè)新的生物學(xué)規(guī)則，該團(tuán)隊(duì)在共生研究先驅(qū)David Read先生之后命名為Read's Rule。
在他們?nèi)绾螒?yīng)用這項(xiàng)研究的一個(gè)例子中，該小組使用他們的地圖來(lái)預(yù)測(cè)如果碳排放繼續(xù)有增無(wú)減，到2070年共生會(huì)如何變化。這種情況導(dǎo)致樹(shù)種的生物量減少10%，這與一種主要在較涼爽地區(qū)發(fā)現(xiàn)的真菌有關(guān)。研究人員告誡說(shuō)，這種損失可能會(huì)導(dǎo)致大氣中更多的碳，因?yàn)檫@些真菌往往會(huì)增加土壤中儲(chǔ)存的碳量。
斯坦福大學(xué)的博士后研究員，該論文的第一作者Brian Steidinger說(shuō)：“只有很多不同的共生類(lèi)型，我們表明他們遵守明確的規(guī)則。”“我們的模型預(yù)測(cè)了世界森林共生狀態(tài)的巨大變化 - 這些變化可能會(huì)影響你的孫子孫女將要生活的氣候。”
三個(gè)共生
對(duì)大多數(shù)觀察者來(lái)說(shuō)，這些微生物和樹(shù)木之間的跨界合作是高度多樣化的。研究人員專(zhuān)注于繪制三種最常見(jiàn)的共生類(lèi)型：叢枝菌根真菌，外生菌根真菌和固氮細(xì)菌。這些類(lèi)型中的每一種都包含數(shù)千種與不同樹(shù)種形成獨(dú)特伙伴關(guān)系的真菌或細(xì)菌。
三十年前，Read根據(jù)他們提供的營(yíng)養(yǎng)素手工繪制了他認(rèn)為不同的共生真菌可能存在的地圖。外生菌根真菌直接從有機(jī)物質(zhì)中提取樹(shù)木 - 如腐爛的葉子 - 因此，他提出，在分解緩慢且葉凋落物豐富的較涼爽地區(qū)，它們會(huì)更成功。相反，他認(rèn)為叢枝菌根真菌將在熱帶地區(qū)占主導(dǎo)地位，樹(shù)木的生長(zhǎng)受到土壤磷的限制。其他人的研究表明，固氮細(xì)菌在低溫下似乎生長(zhǎng)不良。
然而，測(cè)試閱讀的想法必須等待，因?yàn)樽C據(jù)需要從全球不同地區(qū)的大量樹(shù)木中收集數(shù)據(jù)。全球森林生物多樣性倡議(GFBI)提供了這一信息，該倡議調(diào)查了來(lái)自各大洲(南極洲除外)和地球生態(tài)系統(tǒng)的森林，林地和稀樹(shù)草原。
該小組從該數(shù)據(jù)庫(kù)中提供了3100萬(wàn)棵樹(shù)的位置以及關(guān)于共生真菌或細(xì)菌最常與這些物種相關(guān)聯(lián)的信息，并將其作為一種學(xué)習(xí)算法，確定了氣候，土壤化學(xué)，植被和地形等不同變量如何影響每個(gè)共生的流行。由此，他們發(fā)現(xiàn)固氮細(xì)菌可能受溫度和土壤酸度的限制，而兩種類(lèi)型的真菌共生受影響分解率的變量 - 環(huán)境中有機(jī)物分解的速率 - 的影響很大 - 如溫度和濕度。
“這些都是非常強(qiáng)大的全球模式，與其他基本的全球生物多樣性模式一樣引人注目，”該研究的高級(jí)作者，人文科學(xué)學(xué)院生物學(xué)助理教授卡比爾皮伊說(shuō)。“但在這些有關(guān)數(shù)據(jù)之前，對(duì)這些模式的了解僅限于菌根或氮固定生態(tài)學(xué)專(zhuān)家，盡管它對(duì)廣泛的生態(tài)學(xué)家，進(jìn)化生物學(xué)家和地球科學(xué)家都很重要。”
盡管這項(xiàng)研究支持了Read的假設(shè) - 在較溫暖的森林中發(fā)現(xiàn)叢枝菌根真菌和在較冷的森林中發(fā)現(xiàn)外生菌根真菌 - 但是，基于影響分解的變量的逐漸變化，生物群落從一種共生類(lèi)型到另一種共生類(lèi)型的轉(zhuǎn)變比預(yù)期更加突然。 。這支持了另一個(gè)假設(shè)，研究人員認(rèn)為：外生菌根真菌會(huì)改變其局部環(huán)境，進(jìn)一步降低分解速度。
這種反饋循環(huán)可能有助于解釋為什么研究人員在模擬外生菌根真菌減少10%時(shí)，如果碳排放量持續(xù)到2070年，將會(huì)發(fā)生什么情況。氣候變暖可能迫使外生菌根真菌超過(guò)氣候臨界點(diǎn)，超出了他們所能達(dá)到的環(huán)境范圍。改變他們的喜好。
映射協(xié)作
這張地圖背后的數(shù)據(jù)代表來(lái)自70多個(gè)國(guó)家的真實(shí)樹(shù)木，由Purdue大學(xué)的Jingjing Liang和蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院的Tom Crowther領(lǐng)導(dǎo)，他們?cè)跀?shù)百名講不同語(yǔ)言，研究不同生態(tài)系統(tǒng)和應(yīng)對(duì)不同挑戰(zhàn)的研究人員之間進(jìn)行合作。
“數(shù)據(jù)集中有超過(guò)110萬(wàn)個(gè)森林地塊，其中每一個(gè)都是由地面人員測(cè)量的。在許多情況下，作為這些測(cè)量的一部分，它們基本上給了樹(shù)一個(gè)擁抱，”Steidinger說(shuō)。“那么多的努力 - 徒步，汗水，蜱蟲(chóng)，漫長(zhǎng)的日子 - 就在那張地圖上。”
這項(xiàng)研究的地圖將免費(fèi)提供，希望幫助其他科學(xué)家在他們的工作中包括樹(shù)木共生體。在未來(lái)，研究人員打算將他們的工作擴(kuò)展到森林之外，并繼續(xù)努力了解氣候變化如何影響生態(tài)系統(tǒng)。
本文的其他共同作者包括斯坦福大學(xué)的Michael Van Nuland以及牛津大學(xué)，明尼蘇達(dá)大學(xué)，西悉尼大學(xué)(澳大利亞)，瓦赫寧根大學(xué)和研究所(荷蘭)，瓦赫寧根環(huán)境研究大學(xué)(萊利達(dá)大學(xué))的合作者。西班牙)，加泰羅尼亞森林科學(xué)技術(shù)中心，普渡大學(xué)，聯(lián)合國(guó)糧食及農(nóng)業(yè)組織，CIRAD-蒙彼利埃大學(xué)(法國(guó))，北京林業(yè)大學(xué)，蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院和GFBI聯(lián)盟的其他成員。Peay還是斯坦福Bio-X的成員，也是SLAC國(guó)家加速器實(shí)驗(yàn)室光子科學(xué)理事會(huì)的助理教授。Liang還隸屬于北京林業(yè)大學(xué)。
這項(xiàng)工作是通過(guò)全球森林生物多樣性數(shù)據(jù)庫(kù)提供資金的，該數(shù)據(jù)庫(kù)代表了200多名獨(dú)立調(diào)查員及其公共和私人資助機(jī)構(gòu)的工作(詳見(jiàn)“自然文件中的補(bǔ)充確認(rèn)書(shū)”)。