植物与土壤微生物间的相互作用是影响植物共存的关键因素。虽然已有大量研究在配对物种共存的框架下探讨了土壤微生物的重要作用，但其对多物种共存动态的影响仍不明确，阻碍了我们深入理解土壤微生物在塑造植物群落结构和功能中的角色。
近日，中山大学生态学院储诚进教授团队在生态学经典期刊Ecology发表了题为“Soil microbial influences over coexistence potential in multispecies plant communities in a subtropical forest”的研究论文。该研究通过温室种植实验，首次细致评估了土壤微生物如何影响亚热带森林中多植物物种的共存。博士后王韦韬和吴航玉(硕士，已毕业)为论文的共同第一作者，储诚进教授为论文通讯作者。其他共同作者包括研究生吴婷婷、罗梓菁（已毕业，现于加拿大阿尔伯塔大学攻读博士学位）、林维、刘翰伦(已毕业，现为墨尔本大学博士后)，特聘副研究员肖俊丽，李远智副教授，王酉石副教授，以及加利福尼亚大学洛杉矶分校助理教授Chuliang Song和路易斯安那州立大学教授Gaurav Kandlikar。
在国家自然科学基金等项目的支持下，该研究共种植了来自我国南亚热带森林黑石顶自然保护区的五种树木的540株幼苗，其中两种树木能与丛枝菌根(arbuscular mycorrhizal, AM)真菌形成共生关系，三种树木能与外生菌根(ectomycorrhizal, EcM)真菌共生。实验将树苗分为两个处理组，分别使用灭菌土壤和接种微生物的土壤进行种植，接种的微生物提取自黑石顶森林内同种树木下的土壤。该研究旨在解答以下科学问题：(1) 土壤微生物如何影响多物种群落中的物种共存？(2) 土壤微生物是否主要通过改变结构化生态位或适合度差异来调节多物种的共存？(3) 土壤微生物对植物物种共存的影响能否通过植物功能性状来解释？
研究采用贝叶斯框架下的Ricker模型来拟合植物的生长数据，分别估算两个处理组中各树种的内禀增长率、种内相互作用系数以及种间相互作用系数。研究结果表明(图1)，土壤微生物总体上降低了五个树种中四个物种的内禀增长率。对于AM树种，种内相互作用主要表现为竞争，接种微生物后，种内竞争强度有所减弱。相比之下，EcM树种的种内相互作用多表现为促进效应。接种微生物后，某些物种的种内相互作用从竞争转变为促进。在种间相互作用方面，大多数情况下，配对物种在灭菌处理组中的相互作用强度高于接种处理组。此外，土壤微生物同样能改变种间相互作用的类型，使其从竞争转化为促进。
图1 使用贝叶斯建模估算的内禀增长率(λ)和相互作用系数的后验分布。y轴蓝色刻度为种内相互作用系数，紫色刻度为种间相互作用系数。
在获得内禀增长率和相互作用系数矩阵后，利用结构化共存方法估算了两物种至五物种群落的结构化生态位差异(Ω)和结构化适合度差异(θ)，以评估土壤微生物对多物种共存的影响。结果显示(图2)，土壤微生物显著影响多物种群落的结构化适合度差异，而对结构化生态位差异的影响较弱。具体而言，土壤微生物显著增加了所有植物群落的结构化适合度差异。例如，在两物种群落中，土壤微生物使群落的平均结构化适合度差异增加了55.8%；在五物种群落中，这一增幅达到了76.4%。
图2 两至五种树种组成的植物群落的结构化生态位差异(Ω, A)和适合度差异(θ, B)箱线图，绿色为接种处理组，黄色为灭菌处理组。
进一步分析显示，所选取树木的根系功能性状与结构化共存指标显著相关(图3)。在接种组中，根平均直径(RAD)和根长度(RL)与结构化生态位差异呈显著正相关，但在灭菌组中，这种相关性并不明显。由于结构化生态位差异越大，多物种共存的可能性越高，性状与结构化生态位差异的显著相关性为功能性状与物种共存的关系提供了更为直接的视角。
图3 配对物种的性状差异与结构化生态位差异(Ω)和适合度差异(θ)的相关性雷达图，显著相关性以粗体标注(显著性水平为0.05)。(A) Ω与接种处理组的性状；(B) θ与接种处理组的性状；(C) Ω与灭菌处理组的性状；(D) θ与灭菌处理组的性状。
该研究表明土壤微生物对多物种植物群落的共存具有显著影响，特别是通过改变配对植物物种间的相互作用，从而影响群落内的结构化适合度差异。研究采用结构化共存方法对多物种群落的共存动态进行了评估，有效填补了该领域实验研究的空白。尽管该研究提供了土壤微生物在调节适合度差异上比生态位差异更具影响力的证据，但其在物种丰富的自然群落中的普适性仍需进一步探索。
原文链接：
https://esajournals.onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/ecy.4415
排版丨陈炜炜
初审丨姚宇鹏
审核丨储诚进、张丹丹
审核发布丨罗燕
