土地利用与气候交互作用重塑热带丛枝菌根真菌多样性格局

《Molecular Ecology》：Land Use Change Reshapes Climate-Driven Diversity Patterns of Tropical Arbuscular Mycorrhizal Fungi

本研究通过分析厄瓜多尔安第斯山脉1700米海拔梯度上的农田与原生植被土壤，揭示了气候与土地利用的交互作用对丛枝菌根（AM）真菌多样性的深刻影响。农业开垦导致AM真菌丰富度平均降低80%，且气候梯度显著改变了土地利用对多样性及群落构建（物种替代vs嵌套性）的作用模式，为热带山地生态系统土壤微生物保护提供了关键科学依据。

　　

摘要

农业扩张导致的土地利用变化是全球陆地生态系统生物多样性丧失的主要驱动因素，而热带山地生态系统虽仅覆盖地球表面积的10%，却拥有约50%的生物多样性热点。丛枝菌根（Arbuscular Mycorrhizal, AM）真菌作为与约70%陆地植物共生的关键土壤微生物，其多样性对生态系统功能（如植物生产力和养分循环）具有重要影响。本研究沿厄瓜多尔安第斯山脉1700米海拔梯度（温度梯度：7.7°C–16.5°C，降水梯度：1000–3500 mm）采集了28个位点的配对农田（玉米或马铃薯作物）与相邻原生植被土壤样本，通过高通量测序和统计模型分析了AM真菌的多样性模式。

1 引言

热带地区在2011至2015年间约有2500–3600万公顷原生植被转为农田，但相关研究多聚焦地上生物，对土壤微生物的关注严重不足。AM真菌可通过菌根共生体为宿主植物提供高达80%的磷需求，其群落组成与丰富度对土地利用变化和区域气候条件均表现出高度敏感性。安第斯山脉剧烈的海拔梯度为研究气候与土地利用的交互效应提供了理想场所，然而，引物偏倚、数据库覆盖不足及热带样本稀缺限制了当前对AM真菌分布格局的认知。

2 材料与方法

研究采用配对采样设计，每个位点采集农田与相邻原生植被土壤，通过扩增子序列变异（Amplicon Sequence Variants, ASVs）分析AM真菌群落。使用Chao1指数估算物种丰富度，并利用贝叶斯模型检验土地利用、气候（年均温MAT、年降水MAP）及土壤化学性质（主成分PC1）对丰富度的交互影响。通过Bray-Curtis相异性和PERMANOVA分析群落组成差异，并基于S?rensen指数分解β多样性的嵌套性与物种替代组分。

3 结果

3.1 农业利用导致的气候依赖性生物多样性丧失

原生植被土壤平均含有72±7个ASVs，显著高于农田的40±9个ASVs（降低约80%）。最佳模型（R²=0.56）显示土地利用与气候存在显著交互作用：在原生植被中，丰富度随温度升高而增加，随降水增加而下降；农田则呈现相反趋势。物种丰富度在玉米与马铃薯田间无显著差异。

3.2 土地利用改变AM真菌群落组成

PERMANOVA表明位点位置（r²=0.50）和土地利用（r²=0.06）是群落分异的主要驱动因子。原生植被土壤包含3倍于农田的独有ASVs（316 vs 110），以Glomus（31.6%）、Acaulospora（19.0%）和Paraglomus（9.1%）为主。玉米田以Glomeraceae（44.2%）占优，而马铃薯田则以Acaulosporaceae（28.2%）为主导。

3.3 物种替代主导土地利用类型间的组成差异

物种替代平均贡献了S?rensen相异性的64.2%，显著高于嵌套性的10.2%。随着温度与降水升高，物种替代的作用进一步增强，表明高温高湿环境下群落差异主要由物种更替而非多样性丧失驱动。

4 讨论

4.1 宿主身份对AM真菌群落组成的影响

原生植被的高植物多样性可能支持了更丰富的AM真菌群落，但未量化宿主植物组成限制了对作物-野生亲缘种关联的深入解析。

4.2 气候与土地利用交互塑造生物多样性格局

农田土壤微气候（如温度波动增大、水分保持能力下降）可能通过胁迫筛选导致狭生态位物种流失，而原生植被的缓冲作用维持了更稳定的微生物栖息环境。

4.3 群落组成差异由物种替代主导

热带AM真菌可能具有较高的特有种比例和狭窄生态位，促使农田环境过滤引发物种置换而非简单子集化。农业管理引入的广谱型真菌进一步加剧了群落更替。

4.4 更广泛的意义

本研究强调将气候-土地利用交互效应纳入土壤保护策略的必要性，尤其需关注微气候调节对稀有AM真菌保育的价值。未来需整合多营养级互作（如细菌-真菌网络）以全面揭示地下生物多样性维持机制。

作者贡献与资助

研究由荷兰科学研究组织（NWO）等基金支持，样本采集获厄瓜多尔环境部许可。第一作者单位位于国外，团队跨越多国机构合作完成野外工作、实验分析与论文撰写。