北极植物与根系真菌的机会性伙伴选择：环境驱动下的非随机互作网络

《Ecological Monographs》：Opportunistic partner choice among arctic plants and root-associated fungi is driven by environmental conditions

　　本研究通过跨北极多个空间尺度的采样，结合DNA宏条形码技术和层次物种分布模型（HMSC），揭示了环境因子（如pH和温度）而非生物互作主导北极植物-真菌网络构建。研究发现土壤与根际真菌群落组成显著不同但共享85%属级类群，且两者对环境梯度响应一致；网络分析（H2′指数）表明植物-真菌关联呈现机会性特征，局部环境条件通过调控物种库可用性决定互作伙伴选择。这一非随机网络结构凸显了北极生态系统对气候变化响应的灵活性，为预测全球变化下地下互作动态提供了新视角。

　　

Abstract

植物与土壤微生物的互作在构建植物群落中起关键作用。本研究通过解构北极地理和环境梯度上植物-真菌互作变异的两个贡献来源： abiotic 对土壤真菌物种库的影响，以及 abiotic 和 biotic 对植物根系相关真菌库变异的影响。研究发现，北极植物与根系真菌的关联呈现明显的非随机结构，主要由pH和温度梯度驱动。

INTRODUCTION

土壤微生物群在驱动植物群落动态和生态系统功能中的重要性已被长期认识。在快速变化的北极环境中，迫切需要揭示这些互作如何响应环境变化。北极地区最近以全球平均速率三到四倍的速度变暖，北极植物将大量生物量分配在地下，这可能增加北极土壤微生物群的资源可用性。然而，北极植物-微生物互作响应环境条件的精确机制仍知之甚少。

本研究旨在（1）比较土壤真菌与根际真菌对环境响应的差异；（2） disentangle 植物相关真菌群落由生物影响（最突出的是宿主植物 identity）和气候环境分别塑造的程度；（3）将北极各地植物-真菌网络整体变异与环境变异联系起来。

MATERIALS AND METHODS

Sample collection

为评估多空间尺度下的群落组装过程，我们在两个空间尺度上协调采样：泛北极尺度和区域尺度。在2020年和2021年夏季，我们通过跨14.5°纬度梯度的7个site收集了总共2900份根和土壤样本。这些site涵盖了从亚北极 through 低北极到高北极的各种生态交错带。为了表征每个site内的局部环境梯度变异，我们定义了至少三个局部transects。沿每个transect，我们建立了四个半径约25米的plots。作为焦点植物物种，我们选择了在北极地区常见且分布广泛的物种。

Environmental data

为表征局部气候，我们从WorldClim数据库（版本1.4）提取了每个site的年均温度（BIO1）。我们将每个plot的平均海拔与年均温度相关联，假设每升高100米海拔温度下降0.7°C。估算了每个plot内围绕目标植物的1平方米区域内植被覆盖度。从DNA宏条形码后剩余的土壤样本子集中，我们测量了plot水平的土壤化学性质，以pH、碳和氮含量为代表。

DNA metabarcoding

土壤和根际样本用于实验室分析。使用引物对tagF-fITS7和tagR-ITS4扩增真菌ITS2基因区域。生物信息学流程使用VSEARCH进行序列合并和质量修剪，使用USEARCH进行去噪和ZOTU聚类，使用UNITE数据库通过SINTAX进行物种分类学分配，并使用FUNGuild python脚本将ZOTU分配给功能群。

Statistical analyses

为表征植物和真菌之间的特异性水平，我们计算了一个简单的互作概率度量。为区分功能群之间特异性的潜在差异，该分析侧重于可归属于特定功能群的真菌属。为了disentangle 生物和非生物效应，我们使用了Hierarchical Modeling of Species Communities（HMSC）。该模型将物种出现和共现的变异划分为由非生物协变量解释的变异与考虑这些非生物效应后剩余的变异（以残差关联的形式）。为了量化环境条件对北极地区植物-真菌网络中伙伴选择的相对影响，我们使用Blüthgen等人（2006）的H2′指数量化了plot和site尺度的整体网络关联特异性。

RESULTS

Fungal communities differ between the soil and the rhizosphere

DNA测序产生了总共3.84亿条可靠分配给真菌的reads。土壤样本可靠地分配到444个真菌属的7053个ZOTU；根际样本可靠地分配到459个真菌属的7973个ZOTU。在根际样本中检测到的459个真菌属中，有278个（60.6%）被分配到功能群。在泛北极尺度上，我们发现根际和土壤中的真菌属多样性相似，但北极各地的这种模式隐藏了两个区室在单个site水平上的显著变异：真菌群落组成在土壤和根际之间存在显著差异。

Fungal recruitment varies across plants

在根际出现的频率方面，菌根真菌显示出最高的发生率。这些类群，如Tomentella或Russula属，也以跨植物物种的最广泛分布为特征。内生菌和腐生真菌形成一个中间群体，而病原真菌在根际中出现的频率较低，通常仅与少数植物物种相关。在植物中，B. vivipara和B. nana是其根际内具有最高比例强关联真菌的物种。相比之下，S. acaulis显示出与其根际强关联真菌的比例最低。

Fungi in the soil and in the rhizosphere respond similarly to their environment

用于量化非生物和生物环境在塑造真菌群落组成中相对重要性的HMSC模型成功拟合数据。MCMC收敛性令人满意。总体而言，生物气候环境同等程度地解释了两个区室中真菌类群的存在/absence。随机效应，尤其是在样本水平，解释了两个区室中最高比例的原始方差，其次是非生物条件和宿主效应。在响应非生物条件方面，类群特异性出现对两个区室（土壤 vs. 根际）的给定环境特征响应相似。

Plant–rhizosphere networks are relatively nonspecialized across the Arctic and mainly driven by local environmental conditions

真菌互作伙伴在植物之间被广泛共享。跨植物，即使在相同plot中共存的植物，根际中发现的大约三分之一真菌对特定植物是独特的。整体网络特异性指数（由H2′量化）在生态群（即菌根菌和植物病原体之间）和site之间差异很大。线性模型将温度和土壤pH确定为局部关联特异性的显著预测因子，局部响应具有显著的site特异性。

DISCUSSION

Soil- and root-associated fungal communities respond similarly to their environment

我们的第一个关键目标是评估植物-真菌互作概率如何分别受到土壤中真菌出现和生物气候环境的调节。我们的结果清楚地支持了第一个预期，而第二个预期被反驳。总体而言，当前结果证明了两个区室中都缺乏强大的生物印记，而是表明非生物驱动因素（即环境过滤）主导了整个北极土壤和根际的真菌群落组装。

Root communities are weakly impacted by plant identity

我们的第二个关键目标是评估植物物种间的真菌伙伴选择。在这里，我们发现了很少的宿主identity印记，而是发现了与土壤中存在的类群的机会性关联的强烈信号。因此，北极真菌似乎表现出与个体植物的大部分机会性关联模式。从植物的角度来看，B. nana和B. vivipara显示出与几乎每个归属于功能群的真菌属的频繁关联。这可能反映了植物方面的高度泛化性，甚至是机会性行为。

Plant–fungus networks are mainly structured by local environmental gradients

我们的第三个关键目标是描述和探索塑造北极植物-真菌网络的过程。在区域尺度（即site水平），真菌对植物互作伙伴的整体“偏好”并不高于偶然预期。无论是在完整的根际相关群落水平还是在功能群水平，我们都没有发现宿主特异性的持续证据。这种网络特异性和伙伴偏好的缺乏表明环境条件可能覆盖宿主植物在真菌群落组装中的效应。

CONCLUSIONS

我们的分析揭示了环境与真菌群落结构和多样性之间的复杂关系。植物根际的局部群落是由当地土壤中可用的物种库形成的，具有环境对存在物种的强大印记。然而，在局部共存的植物和真菌物种中，我们发现了植物-真菌关联的主要变异和低水平的伙伴特异性。这种可塑性水平表明面对环境变化，植物-真菌网络具有高适应性。