Phylotype diversity within soil fungal functional groups drives ecosystem stability
DOI：10.1038/s41559-022-01756-5
概要
土壤真菌对于植物生产力至关重要，但它们对全球陆地生态系统的时间稳定性的影响以及它们缓冲植物生产力应对极端干旱事件的能力仍然不确定。在这里，我们将三项独立的全球土壤真菌实地调查与卫星对植物生产力的时间评估相结合，并报告特定真菌功能群内的系统发育丰富度推动了陆地生态系统的稳定性。真菌分解剂的丰富度始终与世界范围内的生态系统稳定性呈正相关，而真菌植物病原体的丰富度则与此相反，特别是在草原上。我们进一步证明，土壤分解剂的丰富度始终与植物生产力对极端干旱事件的较高抗性呈正相关，而真菌植物病原体的丰富度与植物生产力恢复力/抗性模式总体呈负相关。本研究支持土壤真菌多样性在确保全球生态系统中植物长期稳定生产以及缓冲极端气候事件方面发挥的关键作用。
土壤真菌的多样性驱动着全球生态系统的稳定性
首先，研究发现土壤真菌分解者（腐生菌）的多样性与生态系统稳定性呈正相关（图1a，d，g）。值得注意的是，在考虑了地理位置、气候、植被类型和土壤特性后，真菌分解者的多样性与生态系统稳定性之间保持了正相关（图3、4）。事实上，真菌多样性可以解释生态系统稳定性的独特变化。气候也解释了独特的变化，尽管本研究发现多种生物和非生物变量的共同影响驱动了大部分解释的变化（图3）。尽管幅度有所不同（图 2），但在三项全球数据调查中，预测变量效应的方向是一致的，这可能是由于抽样设计和实验方法的差异。同样，在考虑了植物丰富度后，结果得显示出了一致性，这适用于全球调查中的所有地点。
图1
图2
图3
图4
真菌植物病原体的多样性与生态系统稳定性之间存在负相关关系
研究进一步发现真菌植物病原体的多样性与生态系统稳定性之间存在一致的负相关关系（图1b，h），特别是在全球调查1和2中包括的全球草原上（图3a，b）。
当我们对关键环境因素进行统计控制时，真菌植物病原体的多样性与生态系统稳定性之间的负相关性在所有生物群落中也很明显（图 3、4）。相反，我们没有发现菌根、外生菌根（ECM）、丛枝菌根（AMF）或内生真菌（图1）的多样性与生态系统稳定性之间存在一致的显着相关性。
尽管对菌根真菌的多样性缺乏显着的稳定作用（图 1c、f、i），但我们的结果显示，AMF 的估计断面积之间存在一致的驼峰形关系-或EcM相关植物和生态系统稳定性（图5a-f），表明植物功能群的比例在维持生态系统稳定性方面仍然发挥着关键作用。
当同时考虑其他环境因素时，AMF植物的比例与生态系统稳定性之间存在正相关关系（图3a、b、c）。然而，未来的微观世界研究应该旨在通过实验测试所报道的受控条件下真菌多样性与生态系统稳定性之间的关系。
图5
陆地生态系统土壤真菌分解者的多样性具有一致的稳定作用
土壤分解者的多样性可以为植物生长提供持续的营养来源 ，通过分解过程连接地上和地下部分。来自微观世界研究的实验和当地证据表明，类群之间的异步性介导了土壤生物多样性的稳定作用 ，正如在植物群落中所发现的那样。为了确认微生物异步性是否正在推动全球真菌多样性-稳定性关系，未来需要进行考虑群落组成随时间变化的新研究，这在逻辑上要求很高，并且仍然是一个需要考虑的差距未来全球土壤生物多样性监测网络。我们的结果进一步表明，土壤分解者的多样性对生态系统生产力产生积极影响，同时减少其变异性，从而提高生态系统的稳定性；真菌植物病原体的多样性却发现了相反的模式。这些对比结果表明，虽然维持支持有机物分解和养分释放等复杂过程的高度多样化的真菌分解剂有助于促进生态系统的稳定性，但支持病原体的多样性可能会产生相反的影响植物稳定性，特别是在草原。这些发现表明，分解者多样性的丧失或真菌植物病原体多样性的增加（例如，气候变暖和过度施肥） 可能会导致全球生态系统的不稳定，这符合与缓冲效应假设 。例如，年平均温度（MAT）被认为是土壤真菌群落的基本驱动因素，也被发现是生态系统稳定性的重要驱动因素（图3、4）。此外，我们在两项独立的全球调查中发现，土壤分解者和潜在真菌植物病原体群落组成的差异与生态系统稳定性的差异之间存在一致且正相关的关系。这些重要的发现表明，与人类活动（包括全球变暖）相关的真菌功能群多样性和群落组成的变化可能会对生态系统稳定性造成间接影响，在研究陆地生态系统的稳定性时需要考虑这一影响。
真菌功能群的多样性与植物生产力对极端干旱事件的抵抗力和恢复力之间的关系
本研究中包含的生态系统在过去二十年中遭受了多次干旱，我们利用遥感确定了NDVI对这些事件的抵抗力和恢复力。我们的结果表明，真菌分解者和根内生菌的较高多样性与干旱事件期间生态系统生产力的抵抗力始终呈正相关（图6a，b，e，i）。相反，植物病原体的丰富度与干旱事件期间或之后生态系统生产力的抗性（图6c，k）或恢复力（图6g）呈负相关。此外，我们发现菌根真菌的多样性与干旱事件后生态系统生产力的恢复力呈正相关（图6d，h）。换句话说，在菌根和根内生菌丰富度较高的生态系统中，植物生产力从极端干旱事件中恢复得更快，这表明这些真菌在促进生态系统稳定性方面发挥着重要作用。我们进一步表明，真菌分解者、植物病原体和菌根真菌的多样性驱动着生态系统的抵抗力和恢复力，超越了气候、生态系统类型和土壤特性的作用。总之，我们的研究结果表明，正如植物多样性研究中所观察到的那样，真菌功能群的多样性通过调节植物生产力抵抗力和对干旱事件的恢复力来驱动生态系统稳定性。
图6
结论
总之，基于三项独立的全球土壤调查的研究表明，关键真菌类群的多样性推动了全球范围内的生态系统稳定性，以及植物生产力对极端干旱事件的抵抗力和恢复力。特别是，我们表明土壤分解者的多样性与生态系统的稳定性始终呈正相关。对于潜在的真菌植物病原体，发现了相反的模式。这些发现对于改善全球生态系统生产力长期稳定性的预测和管理至关重要，并支持保护土壤生物多样性以促进植物生产力长期稳定性并缓冲极端气候影响的重要性。
根际互作生物学研究室 简介
根际互作生物学研究室是沈其荣院士土壤微生物与有机肥团队下的一个关注于根际互作的研究小组。本小组由袁军教授带领，主要关注：1.植物和微生物互作在抗病过程中的作用；2 环境微生物大数据整合研究；3 环境代谢组及其与微生物过程研究体系开发和应用。团队在过去三年中在 Nature Communications，ISME J，Microbiome，SCLS，New Phytologist，iMeta，Fundamental Research， PCE，SBB，JAFC（封面），Horticulture Research，SEL（封面），BMC plant biology等期刊上发表了多篇文章。欢迎关注 微生信生物 公众号对本研究小组进行了解。
撰写：刘潇予
修改：文涛
排版：刘炜烨
审核：袁军 团队工作及其成果 （点击查看）
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