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“真菌的未来”——北方生物多样性的新时代

花匠小妙招
2024-09-29 03:55

北方森林含有多种真菌内生菌，对植物健康和生态系统恢复力至关重要，新的研究揭示了其独特的生物多样性和气候敏感性，强调了在气候变化中理解和保护这些真菌的重要性。

云杉、松树、冷杉和其他种类的树木主宰着横跨北美、北欧和俄罗斯的寒冷地区，在全球形成了一个巨大的绕极带。这些北方森林代表了最广泛的陆地生态系统，是地球上最北端的森林。

在北方树木的光合作用或食光组织中，以及在它们之间覆盖的大量云状地衣和羽状苔藓中，都是真菌。这些真菌是内生菌，这意味着它们生活在植物体内，通常以一种互利的方式生活。

“作为一棵植物，就是生活在真菌的世界里，”贝琪·阿诺德(Betsy Arnold)说。她是理学院农业、生命与环境科学学院植物科学学院和生态与进化生物学系的教授，也是Bio5研究所的成员。“内生真菌对植物的健康至关重要，其方式尚未完全被理解，但我们从内生真菌中所知道的是，它们非常擅长保护植物免受疾病侵害，帮助植物更适应环境压力，如热量。”它们已经成为我们对植物思考的重要革命的一部分。”

在杜克大学的franois Lutzoni(左)和亚利桑那大学的Betsy Arnold的共同领导下，研究小组在德哈维兰水獭飞机上从一个湖飞到另一个湖，专家飞行员Jacques b<s:1> rub<s:1>(中)为项目的实地小组提供进入偏远地点的通道。图片来源:Betsy Arnold

十多年前，阿诺德和她的团队开始了为期一个月的冒险，深入加拿大东北部的荒野，以了解这些真菌物种如何适应不同的微环境，以及它们如何在未来的气候变化中生存。

他们发现这些真菌种类繁多，而且它们以非常特殊的方式适应当地的条件，这意味着它们对未来气候的变化很敏感。由于真菌的健康与其宿主的健康密切相关，这些发现对未来北方森林和我们星球的整体健康都有影响。

“北方森林是地球碳和水循环的核心，”阿诺德说。“我们的工作强调，它们是世界上一些进化最多样化的真菌内生菌的家园，这些内生菌在其他地方找不到。”

Cladonia是一种地衣，生长在一种叫做Pleurozium的苔藓地毯上，上面只有几英寸的白色斑块。就像北方带标志性的黑云杉(云杉)一样，它们拥有多种内生真菌，这些真菌在它们的健康组织中共生。图片来源:Betsy Arnold

经过十多年的分析，他们的研究结果发表在《当代生物学》杂志上。

“我们的合作研究揭示了新发现的内生真菌的北方生物群落的多样性及其对气候的敏感性，”该研究的共同主要作者Shuzo Oita说，他在阿诺德的实验室完成了博士研究，现在是住友化学有限公司的一名研究科学家。“内生菌经常被忽视，因为它们发生在健康的植物组织中，但它们在生物多样性和生态系统中的重要性最近已经被揭示出来。”

为真菌而飞

她说，为了得出这个结论，收集数据是一项巨大的努力，这需要阿诺德和她的同事们承担她一生中最紧张的一些实地工作。

阿诺德说，在2011年夏天的一个月里，该团队与一名专业飞行员签订了合同，“前往道路不通的地方”。这个六人小组穿越了加拿大南部的北方森林，一直到北极苔原的边缘，他们的水上飞机在沿途的湖泊中着陆。

贝特西·阿诺德和她的团队乘坐水上飞机进入了北美东部北方森林的偏远地区。从窗户向外望去，云杉树从苔藓和地衣的地毯上生长出来，还有研究人员要降落的湖。图片来源:Betsy Arnold

他们有36次起飞和降落在点缀着风景的偏远湖泊之间。通常，他们在每个采样点花费大约6到24小时。

白天，他们从地上收集健康的云杉树叶、新鲜的苔藓和地衣，边走边把他们的科学宝藏装在密封的袋子里。他们还钻了树的年轮核，希望能揭示它们的过去，比如它们的年龄和野火暴露。他们还测量了各种森林特征，以了解植物在景观中的变化。

到了晚上，当北极光在头顶闪烁时，他们就在飞行员宿舍里的便携式实验室里处理样本。他们对新鲜组织进行表面消毒，为提取DNA做准备，并分离出真菌培养物，以观察和记录生活在样本中的菌株。

“我们经常工作到凌晨2点或3点，然后睡几个小时，然后再飞往下一个地点，”阿诺德说。漫长的工作得到了回报:“在真菌世界里，一个小时的实地考察是一年的特征描述和十年的潜在分析。在短短几周的时间里，我们就走了很多路。”

当他们从温暖的南部地区前往寒冷的北部地区时，他们每隔大约100英里重复一次采样。阿诺德说，他们还沿着一个纬度带取样，这个纬度带同样广阔，但气候变化很小。他们策略性地在这两个维度上取样，以确保真菌生物多样性的任何差异都是由环境差异而不是距离单独驱动的。他们一起乘坐德哈维兰水獭号(DeHavilland Otter)飞行了近1500英里，这是他们的移动家园，他们经常用额外的油箱来分享他们的旅行空间。

贝特西·阿诺德是植物科学学院的教授，也是吉尔伯特森真菌学标本馆的馆长，这是西南地区首屈一指的真菌生物多样性收藏。她在北方生物群落的工作是她全球研究范围的一部分，学生参与，以及从非洲南部和南美洲到北极的全球合作伙伴关系。图片来源:Jolanta Miadlikowska

以前的研究已经研究了生物多样性和纬度之间的关系，纬度经常被用作气候的代表。阿诺德说，这些研究发现，总的来说，生命在靠近赤道的地方变得更加多样化。例如，对于许多生物群体来说，热带雨林中的生物比北极苔原中的生物更多样化。

事实证明，当涉及到北方地区的真菌时，事情并没有那么简单。

“我们表明，北方真菌群落不一定像植物群落那样随着气候的变化而变化。相反，气候对这些真菌的影响高度依赖于真菌物种和宿主，”共同主要作者Jana U'Ren说，她完成了她的博士工作，并在搬到华盛顿州立大学之前作为博士后科学家与阿诺德一起对这个项目进行了实验室分析。“这意味着我们需要保护整个北方生物群落的植物及其真菌内生菌，而不仅仅是在一个地方，否则我们就有可能失去这些重要森林中至关重要的生物多样性和保护性真菌。”

阿诺德认为，这些真菌内生菌对气候的特殊依赖反映了它们与宿主共同进化的过程——或者用她的话说，是“研究与发展”——当植物找到理想的内生菌伴侣时，尽管它们在恶劣的北方环境中面临着独特的压力，但它们仍能茁壮成长。

“世界各地都有内生菌，但在不同的环境中有不同的内生菌。我们认为，在某种程度上，植物与内生菌的共生是如何在全球范围内克服环境挑战的——也就是说，与它们内部的真菌伙伴的共生。”阿诺德说。“关于单个内生菌对单个植物的确切作用的信息并不多。因此，我们的研究是基础的，因为我们试图弄清楚这些内生菌是谁，它们是如何分布的，以及它们如何随着气候的变化而变化。”

她希望未来的研究能够以他们的发现为基础。

“我们所知道的是，当这些森林发生变化时，我们正在失去生物多样性，我们还不知道关键的功能要素是什么，”她说。

该项研究的合作者、杜克大学生物学教授franois Lutzoni也表示同意。

Lutzoni说:“这是我做过的最复杂的田野调查，但也是我最令人振奋的研究经历之一。”“在我们不断变化的世界中记录生物多样性是必不可少的研究。我们收集的标本存放在植物标本室中，因此对了解物种、它们的分布、它们的基因和它们所居住的生态系统如何随时间变化具有持久的价值。反过来，植物标本馆为科学界服务的最佳方式是与世界一流大学的研究实验室相结合。”

在这种心态下，阿诺德现在正致力于利用亚利桑那州本土的内生植物来提高作物在这个不断变化的世界中的适应能力。

“就像北方森林拥有意想不到的内生菌多样性一样，亚利桑那州的植物也是如此，”阿诺德说。“我们的下一步是利用这些丰富而古老的内生菌作为帮助植物茁壮成长的工具。最终，我们希望通过在全球范围内了解这些真菌，我们不仅可以绘制出地球生物多样性关键要素的过去和未来，而且还可以利用我们当地的这些真菌，使作物在有限的水和不断上升的温度下茁壮成长。你可能会说，未来是真菌的。”

参考文献:Jana M. U'Ren、Shuzo Oita、franois Lutzoni、Jolanta Miadlikowska、Bernard Ball、Ignazio Carbone、Georgiana May、Naupaka B. Zimmerman、Denis Valle、Valerie Trouet和A. Elizabeth Arnold，《当代生物学》，2024年2月16日。DOI: 10.1016 / j.cub.2024.01.063

其他共同作者是杜克大学的Jolanta Miadlikowska，都柏林大学和杜克大学的Bernard Ball，北卡罗莱纳州立大学的Ignazio Carbone，明尼苏达大学的Georgiana May，旧金山大学的Naupaka B. Zimmerman，佛罗里达大学的Denis Valle和亚利桑那大学树轮研究实验室的Valerie Trouet。

这项研究是由国家科学基金会资助的，名为“生物多样性维度”。