PLANT：丛枝菌根真菌群落随环境梯度的变化

　　Changes in an Arbuscular Mycorrhizal Fungi Community Along an Environmental Gradient

　　DOI: 10.3390/plants9010052

　　Larissa et al.

　　Abstract环境逐渐变化是植物和相关生物（如丛枝菌根真菌(AMF)）配置的决定因素。本研究的目的是评估巴西东北部热带半干旱地区，在形成干燥森林、稀树草原状灌丛和潮湿山地森林的山顶地区在粘土含量下降情况下的AMF物种群落变化规律。通过田间和圈闭培养，共鉴定出AMF菌种80种，隶属于25个属，其中无梗霉属(Acaulospora)和球囊霉属(Glomus)最具代表性。巨孢子目的代表是粘粒含量较低的地点的指示物，在这些地点中表现出较高的丰度。粘粒含量较高和较低的样地中，AMF的聚集度不同，构成物种结构的主要因素是碳、粘土和潜在酸度。土壤性质已被发现是这些微生物分布的决定因素，对不同植被类型的进一步研究有助于了解AMF物种的生态偏好。

　　Introduction

　　丛枝菌根真菌(AMF)以孢子和茎外菌丝的形式存在于土壤中，也存在于植物的根中，它们之间形成了互惠共生的关系。AMF通过植物接收生存所需的碳水化合物和脂质，作为交换，它们增加了宿主的水分和养分，其效率更高从而提高植物生产力。AMF在土壤中通过叶外菌丝的作用促进团聚体的形成，并形成更大更稳定的结构来改善土壤结构因此，它们与农业地区和自然环境相关。生态系统，通过减少侵蚀、恢复退化区域和在土壤中储存碳，为土壤保护发挥重要作用。AMF群落的组成可以受到不同的生物和非生物因素的影响，这些因素可以作为物种选择的过滤器。AMF多样性使我们能够了解这些生物在每个地点的生态偏好。且共生植物群落的组成可能与AMF群落的结构有关。土壤养分的有效性和pH的化[响AMF群落。土壤是由不同类型的颗粒(液体、固体和气态)组成的，其中固体部分的大小各不相同，分布在砂、粉土和粘土之间，其中砂的粒度最大，粘土的尺寸最小。孔隙的大小和间距决定了植物根系和土壤微生物(例如AMF)可以获得多少水和营养资源，以及这些微生物的分布和活动。土壤结构由这些颗粒在微团聚体中的排列组成，这些微团聚体由土壤有机体及其产生的物质连接在一起，形成更大的团聚体。在土团聚体中，形成了多孔空间，根据颗粒类型的不同，可以保持不同数量的水和空气；一般来说，粘质土壤比砂质土壤具有更大的保水能力。不同的土壤类型影响AMF群落。土壤质地影响AMF的多样性和根据分类群的繁殖体类型。巨孢子科植物在沙质土壤中菌丝生长旺盛，菌丝生长速度快；在粘粒含量较高的土壤中，球孢菌科植物较多，这可能代表了物种对这些土壤条件的适应。土壤颗粒的大小可以改变AMF菌丝的分布和扩展，粗(沙)粒土壤中的菌丝生长比细颗粒土壤中的菌丝生长要高。砂质土壤由于孔隙度较大而有利于根的生长，从而刺激菌根的生长，而粘土的孔隙度较小，从而限制了根的生长。鉴于上述情况，我们期望通过土壤质地的变化来发现AMF种类的差异。这项工作的目的是了解AMF集合体在巴西东北部半干旱-卡廷加生物群内形成类似稀树草原灌丛、干燥森林和潮湿山地森林的植被马赛克的山顶地区粘土坡度土壤中的分布情况。我们直接从田间土壤中鉴定了AMF孢子，此外，为了更准确地鉴定物种，我们还从温室的诱捕培养中鉴定了AMF孢子。我们推测，在粘粒含量较高的土壤中，AMF的物种丰富度和多样性可能较低，这是因为AMF可用于繁殖的孔隙较少，从而最大限度地减少了在寄主根上繁殖的机会，从而减少了产孢量。

　　Materials and Methods

　　Study Area

　　日本据采集地点：南布哥州Brejo da Madre de Deus自治市Serra da Boa Vista，海拔1195米，属热带气候，秋冬季多雨，按Kppen分类为‘型’，年平均气温22°C，年平均降水量844毫米。该区土壤形成于元古代，由花岗岩和闪长岩组成。根据粘粒含量的递增梯度选择了三个区域：低粘粒含量(LCC)、中粘粒含量(MCC)和高粘粒含量(HCC)。这些地区的植物群落存在差异(图5)：在LCC，沿着凸起的露出地面的岩石有灌木状植被，类似于塞拉多生态系统的一种类型Cerrado(表5)。湿润的高原地区存在于卡廷加中部，在那里经常发现塞拉多和卢佩斯特拉田地的物种，形成了具有地方性代表性的特殊环境[53]。另一方面，HCC有树生植被，地貌介于半干旱生物群(Caatinga)和山地热带雨林植被之间。有些物种是在这些环境中共享的，因为根据海拔和地形的变化，过渡区是逐渐发生的[54](表5)。MCC也被认为是干燥和潮湿环境之间的过渡区，但这种环境在采集时，可以从农业活动和大片空地中牧草的优势可以观察到这一点(表5)。巴西东北部的半干旱地区，热带干燥森林Caatinga植被为主；地貌特征组成高度多样化的生态系统，形成了干燥的森林、灌木丛生的、潮湿的山地森林和塞拉多(巴西稀树草原)的植被斑块。Collection收集工作于2016年11月在旱期进行。每区设3块30×30m的地块，最小间距为50m。每块样地共采集5个土样，相当于每区15个土样。在距植物根际0~20 cm土层共采集了45个土样。样品储存在塑料袋中，并带到UFPE的菌根实验室进行AMF组装的评估。样品保存在室温(约25°C)中，以降低土壤水分，防止孢子萌发。Trap Culture 部分土壤被用于诱捕培养，以获得活孢子进行形态学鉴定，目的是更好地代表AMF组装。成熟的真菌营养植物被用来允许田间物种定居和形成孢子。采集后1个月进行诱捕培养。从每个样本中分离出500克土壤，并与500克洗砂混合。田地的土壤被沙子稀释，以创造更充气和营养更差的基质，为该物种的定居和产孢提供最佳条件。基质被存放在两升的塑料花盆里，在那里播种玉米和高粱，并在温室里停留八个月，每天浇水。在此之后，植株受到20天的氢气胁迫，以利于AMF孢子的形成。随后，50克土壤被移走以进行物种评估。Spore Extraction and Morphological Identification 从田间的50克土壤中提取孢子，用湿筛法诱捕培养样品，然后在水和蔗糖(50%)中离心。用PVLG(聚乙烯醇乳甘油)和PVLG+Melzer试剂(1：1)将孢子按形态分离并固定在玻片上，用光学显微镜(40×)进行分析。这些物种使用鉴定手册[56]和最近的物种描述进行了鉴定。对各种的孢子进行计数，以孢子果为一个单位。 Soil Analyses 土壤样本被风干，粉碎，并通过2毫米的筛网。在土壤：水(1：2.5)溶液中测定了土壤的pH值和电导率。用醋酸钙提取后测定潜在酸度(H+Al3+)。磷、钠和钾(P、Na和K+)用Mehlich I溶液提取，P用分光光度法测定，Na和K+用火焰光度法测定。用氯化钾(KCl1M)提取铝、钙、镁(Al3+、Ca2+、Mg2+)。Al~(3+)用滴定法测定，Ca~(2+)和Mg~(2+)用原子吸收光谱法测定。根据Tedesco等人的说法，总有机碳(TOC)是通过碳的湿式氧化法(Walkley-Black法)测定的。用吸管法进行粒度分析，并在105°C的烤箱中烘干24h后测定湿度。Statistical Analyses 根据公式FO=Ji/k，FO=物种出现的频率，Ji=分析区域内物种出现的样本数，k=土壤样本总数，估算了物种出现的频率(FO)。香农物种多样性指数按方程H‘=Σ(Xi/XO)×log(Xi/XO)计算，为了评价不同地区AMF物种的相似性，采用了索伦森指数(Srensen index)[60]。为了估计在每个地区发现的物种数量，确定了一级刀切指数(刀刃1)。对各地区AMF孢子形成的种、属、科、目和类型进行了指示种分析。分析还考虑了是否有任何分类群表示两个或更多地点的组合。计算指标值(IndVal)，并通过蒙特卡罗检验得出各值的显著性，并对每一类别进行分析；当分类单元呈现p<0.05且IndVal大于或等于25%时，被认为是指示物。利用各AMF物种的相对丰度数据和Srensen指数，通过非度量多维尺度(NMDS)分析了AMF物种在环境中的分布。利用土壤的理化性质，通过Envfit分析，验证了这些因素与排序轴之间的相关性。多变量排列分析(PERMANOVA)被用来利用相对丰度来比较粘土梯度上的群落组成。利用有无物种的数据来验证圈闭培养和田间培养在AMF种类组成上是否存在差异。对香农指数、丰富度、孢子密度、孢子形成属、科、目和类型以及土壤属性进行了正态性和异质性检验。香农指数和丰富度符合这些检验，然后进行方差分析和图基检验的均数比较(p≤005)。由于其他分析不能满足这些要求，所以进行了非参数Kruskal-Wallis检验(p≤0.0 5)。所有的分析和图形都是使用R Studio3.5.1软件开发的，使用以下函数和软件包：其中，FO=Ji/k，FO=物种出现的频率，Ji=物种在分析区域内出现的样本数，k=土壤样本的总数。优势种(FO>50%)、极常见种(31%≤FO≤50%)、常见种(10%≤FO≤30%)和稀有种(FO<10%)。其中Xi为各物种的孢子数，XO为所有物种的孢子总数。对于物种积累曲线和丰富度估计器，使用vegan package 软件包函数‘specpool’和‘specaccum’以及inext软件包的‘inext’函数；使用INDICATE CANES软件包[65]的函数‘multipatt’进行指示物种分析；使用vegan package 软件包的函数‘metaMDS’、‘envfit’和‘Adonis’完成NMDS、ENVFIT和PERMANOVA。采用单样物种丰富度、相对丰富度(RA)、出现频率(FO)、Shannon-Weiner多样性(H)和Srensen指数等生态学指标评价AMF物种的分布。相对丰度是指每种的孢子数量与孢子总数的比值。

　　Results

　　Soil Properties

　　AMF Richness in the Field

　　AMF Richness and Assembly Composition in the Trap Cultures

　　Composition of the AMF Assembly from Field Samples

　　Conclusions

　　土壤质地和植被类型影响着丛枝菌根真菌种类的分布，科、属、种间优势度随粘粒坡度的不同而不同。土壤粘粒、总有机碳和潜在酸度是影响丛枝菌根真菌聚集的主要土壤因子。粒含量最高的地区AMF丰富度降低，表明这种质地对AMF物种的限制较大。粘粒含量最低的地区有利于AMF孢子的繁殖。巨孢子目的代表对土壤质地的变化很敏感，随着土壤中粘粒含量的增加，该目物种的丰度呈下降趋势，表明该AMF类群物种的功能作用。特别是亚优势和较稀有的AMF物种对环境变化敏感。一个单一的景观中，即使在很短的距离内，AMF群落也可能出现很大的差异。

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