《Pathophysiology》：Fungal Diversity and Its Relationship with Environmental Factors in Oaxaca and Surrounding States in Southern Mexico
Mario Ernesto Suárez-Mota,
Irene Bautista-Juárez,
Wenceslao Santiago-García,
Monserrat Vázquez-Sánchez,
María ángelica Navarro-Martínez,
Arturo Félix Hernández-Díaz and
Faustino Ruiz-Aquino
1. 引言
真菌是地球上最多样化的生物类群之一，估计全球物种数约为510万。它们在生态系统中扮演着至关重要的角色，是关键的分解者、共生体和病原体，驱动养分循环、土壤形成和植物群落动态。在森林生态系统中，大型真菌是生物多样性的核心组成部分，可分为三大功能类群：参与木质素降解和土壤发育的木腐真菌、分解凋落物并调控碳氮动态的土生腐生真菌，以及与植物根系形成共生关系以增强养分和水吸收、支持幼苗建立和树木生长的菌根真菌。
作为分解和植物-土壤相互作用的核心驱动者，真菌群落受到森林结构和组成变化的强烈影响。腐生真菌驱动有机质周转和养分可利用性，共生真菌调节植物生产力和恢复力，而病原真菌则能塑造物种分布和群落组成。因此，树种组成、林分年龄和林冠结构的变化可显著影响真菌的丰富度、多度和功能组成。
在热带、温带和亚热带森林中，大型真菌的多样性和生产力与微环境条件（特别是温度、湿度和植被结构）密切相关。然而，不同功能群和分类群对环境驱动因子的响应各异，反映了其生态策略和生理耐受性的差异。子实体是衡量真菌活性和多样性的关键指标，其在陆地食物网中扮演重要角色，并受气候波动的影响表现出强烈的年际变化。降水、空气和土壤湿度、温度及土壤条件都被证明会影响子实体的发生模式和物种组成。
大型真菌丰富度和群落组成的地理变异，很大程度上是由与植被结构、植物物种分布以及海拔、坡度、坡向等地形因子相关的微气候梯度介导的。除了物种丰富度，功能多样性已成为理解生态系统过程的一个关键维度，因为不同物种对生态系统功能的贡献差异显著。群落组成由决定生物如何响应生物和非生物过滤器的物种特异性响应性状所塑造。在大型真菌群落中，与营养模式、基质偏好和子实体物候相关的功能性状，对于将多样性模式与森林结构和管理联系起来尤为重要。
森林经营管理措施极大地改变了林分结构和微气候条件，从而影响了真菌群落。林分年龄和树木大小是菌根和腐生真菌丰富度与生产力的关键决定因素。皆伐会通过破坏宿主连续性和降低碳可利用性，严重影响外生菌根真菌，常导致物种丰富度和子实体产量的下降，并向先锋真菌组合转变。相比之下，成熟林分通常支持更高的大型真菌多样性和生产力，这可能是由于更大的生境异质性、基质可利用性和生态稳定性。
2. 材料与方法
2.1. 研究区域与数据库获取
研究在墨西哥南部和中部的多样化地理区域进行，涵盖韦拉克鲁斯、瓦哈卡、普埃布拉、恰帕斯和格雷罗州。该地区具有复杂的环境镶嵌体，促进了高度的真菌多样性。根据García修订的柯本气候分类系统，研究区域的主要气候类型为湿润和半湿润热带、半湿润温带和湿润半暖气候。植被覆盖高度异质，根据Rzedowski的分类，确定了八种主要植被类型：热带落叶林、常绿林和半落叶林；针叶林和栎林；荆棘林；山地云雾林；旱生灌丛和草原。
数据来源于墨西哥国家生物多样性信息系统。从中筛选出所有大型真菌的记录。基于墨西哥及瓦哈卡州的真菌物种列表，选取了分布在该州及邻近州的物种。获取了物种采集点的坐标信息，缺乏地理参照信息的记录被排除在分析之外。利用记录和地理信息系统，创建了地图以显示选定物种在该区域的分布。
2.2. 操作地理单元与生物群落定义
研究区域被划分为15′ × 15′的经纬度网格，称为操作地理单元(OGUs)。为确定网格大小，采用了世界自然保护联盟(IUCN)的方法。通过计算每个研究物种地理参照点之间的距离，取其平均值的十分之一（27.7公里）来定义网格单元大小，这大约相当于一个15′ × 15′的OGU，最终形成了覆盖瓦哈卡的162个网格单元。将物种点记录图与OGU网格图叠加，识别出在五个州有物种记录的OGU。
2.3. 大型真菌多样性的生物地理学分析
利用两个互补概念分析大型真菌多样性的生物地理格局：真菌学区（物种组成相似的区域）和真菌学元素（具有相似地理分布模式的物种组）。基于每个OGU的物种出现数据，构建了存在-缺失矩阵（二进制数据）。使用Bray–Curtis相似性系数进行多元分析。通过非加权配对平均法(UPGMA)对OGU进行聚类，以识别真菌学单元。通过将物种的空间分布与真菌学单元图进行GIS叠加，根据物种在OGU间的共享分布模式进行分组。
2.4. 环境变量
为评估影响大型真菌分布的环境因子，使用了一组19个描述栖息地适宜性的生物气候变量。这些变量来自WorldClim数据库，空间分辨率为1 km2。构建了以环境变量为列、物种出现记录为行的数据矩阵。
2.5. 数据分析
在R软件中进行了多元统计分析。为探究大型真菌群落组成的主要梯度，使用vegan包进行了主成分分析(PCA)。在进行PCA之前，对物种出现矩阵进行了Hellinger转换，以减少双零的影响并提高生态学可解释性。
使用典范对应分析(CCA)评估大型真菌群落与环境预测因子之间的关系。检查了环境变量的多重共线性，并在检测到线性依赖时自动排除冗余预测因子。使用置换检验评估典范轴和预测因子的统计显著性。
2.6. Beta多样性与群落聚类
使用基于出现数据的Bray–Curtis指数量化OGU之间的组成差异。利用基于Bray–Curtis相异性的排序得分进行k-means聚类，以探索群落分组模式。通过评估组内平方和和轮廓宽度，使用factoextra R包确定最佳聚类数(k)。
2.7. Zeta多样性分析
使用Zeta多样性(ζ-diversity)来评估跨多个OGU的物种周转和多点共享物种丰富度模式。该方法量化了n个位点间共享物种的平均数量，并整合了多种生物多样性模式，包括物种累积和物种-面积关系。
使用zetadiv包进行了Zeta多样性分析。主要探讨了两个应用：基于Zeta比率的OGU保留率；空间Zeta衰减。这些分析允许评估分布狭窄、中等和广泛的物种对整体大型真菌多样性模式的相对贡献。
2.8. 自然保护区域
评估了所分析物种在研究区域内自然保护区域中的分布情况，以了解其在真菌多样性保护方面的成效。
3. 结果
3.1. 操作地理单元与物种分布
在瓦哈卡及邻近州共记录了3606个大型真菌物种，代表35,462条出现记录。瓦哈卡州本身占4210条记录。各州间物种重叠情况为：与普埃布拉共享630种，与格雷罗共享570种，与恰帕斯共享1040种，与韦拉克鲁斯共享2299种。
在所有物种中，1425个物种仅有一条记录，而只有283个物种的记录超过25条。这些物种分布在为瓦哈卡定义的162个OGU中的103个。OGU 10包含的物种数最多（35个），而22个OGU仅包含一个物种，其余OGU的物种数在2到33个之间。就物种在OGU间的分布而言，1899个物种仅出现在一个OGU中，而分布最广的物种血红密孔菌(Pycnoporus sanguineus)在106个OGU中有记录。从35,462条记录计算出的出现点之间的平均距离为276.7公里，取其十分之一（27.7公里）用于定义网格单元大小，这对应于大约15′ × 15′的OGU。
3.2. 主成分分析与K均值聚类
对Hellinger转换后的出现矩阵进行PCA，结合k-means聚类，揭示了四个由环境变量表征的明显聚类。将PCA向量与聚类分析结合，突出了导致差异的变量，并有助于解释观察到的模式。聚类1：质心在PC1 = 0.01， PC2 = -1.24；主要贡献变量：bio14(最干季降水量)， bio17(最干季降水量)， bio04(温度变化方差)。聚类2：质心在PC1 = -4.73， PC2 = -0.43；主要变量：bio06(最冷月最低温)， bio12(年降水量)， bio09(最干季平均温度)。聚类3：质心在PC1 = -0.58， PC2 = 4.03；主要变量：bio15(降水量季节变异系数)， bio03(等温性)， bio02(平均日较差)。聚类4：质心在PC1 = 4.01， PC2 = 0.06；主要变量：海拔， bio07(温度年较差)， bio02(平均日较差)。
每个聚类在排序图中显示出内部同质且清晰分离的特征。围绕质心的置信椭圆证实了内部一致性和明确的环境分异。
3.3. 典范对应分析
CCA表明真菌群落组成与环境变量之间存在显著关联。第一典范轴(CCA1)解释了3.72%的约束方差，并显著相关。置换检验证实了全局模型和单个预测因子的显著性，表明环境异质性强烈地塑造了大型真菌群落的结构。
3.4. Beta多样性
OGU之间的Bray–Curtis相异性范围表明存在显著的组成周转。基于Bray–Curtis距离的聚类分析和树状图揭示了与PCA和CCA结果一致的群落分组模式，对应于真菌学区。短分支表示高度相似的群落，而长分支反映了物种组成的显著差异。
3.5. Zeta多样性与多点物种周转
3.5.1. Zeta衰减
Zeta多样性随着阶数的增加呈现出强烈的衰减，表明随着考虑的OGU增多，共享物种迅速减少。Zeta1（平均丰富度）和Zeta2（成对共享物种）下降最为陡峭，而高阶Zeta值趋近于零，表明广泛分布的物种很少。
3.5.2. 模型拟合：指数模型 vs. 幂律模型
对Zeta衰减曲线进行了指数模型和幂律模型拟合。幂律模型比指数模型具有更好的拟合优度，表明群落构建是空间结构化的、非随机的。小尺度上的高周转率、强烈的位点特异性以及跨多点物种持续存在的有限性，突显了环境异质性和扩散限制的影响。
3.5.3. 自然保护区域评估
对研究区域内自然保护区域中物种分布的分析表明，需要加强保护工作，因为在记录的3606个物种中，仅有1208个（33.5%）在保护区内有分布。这些发现揭示，仍有大量物种未得到保护。此外，自然保护区域共享特定的分类群，根据其真菌学组成形成聚类。具体而言，基于物种出现记录的树状图识别出六个不同的聚类。
4. 讨论
4.1. 大型真菌群落的空间结构与稀有性
研究结果揭示了瓦哈卡及邻近州高度结构化的大型真菌组合，其特点是显著的空间周转和强烈的稀有物种优势。很大比例的物种仅有一条记录或局限于单个OGU，这凸显了大型真菌在异质性景观中固有的斑块状分布模式。这种稀有性并不一定是取样假象，而是反映了生态特化、有限的扩散能力以及对微生境条件、宿主可利用性和基质连续性的强烈依赖。所分析的数据库包含了森林动态的关键类群。例如，外生菌根物种在瓦哈卡和普埃布拉的温带森林中占主导地位，对宿主树木的养分吸收起着至关重要的作用。相比之下，腐生菌在韦拉克鲁斯和恰帕斯的热带残留林中，对木材分解至关重要。
物种在OGU间的不均匀分布，即少量广泛分布的类群和大量狭窄分布的物种库并存，表明群落结构由广布种和特有种两种策略共同驱动。这种二元性对保护具有重要启示，因为广布种有助于区域连通性，而稀有物种则构成了大部分组成独特性和Beta多样性。
4.2. 环境过滤与群落分化
多元分析一致表明，环境变量，特别是与温度、降水和海拔相关的变量，在塑造大型真菌群落组成中起着核心作用。在PCA和CCA排序空间中聚类的清晰分离支持了以下假设：大型真菌组合沿着多个、部分独立的环境梯度构建。与高降水和季节性减弱相关的聚类表现出更高的物种丰富度和Alpha多样性，这表明水分可利用性是限制真菌子实体发生和持续存在的主要因素。这与先前的研究一致，表明降水模式（而非仅仅是年平均降水量）通过控制基质湿度和微气候稳定性，强烈调节大型真菌的生产力和多样性。相反，与较大温度变率和较低降水相关的聚类显示出较低的丰富度，反映了胁迫条件下子实体形成和菌丝生长的生理限制。
本研究中使用的指标是生态系统功能的预测因子，因为它们整合了允许分析进化和生态因素的过程。在瓦哈卡及邻近州使用多样性指标对大型真菌多样性模式的研究表明，多样性随海拔变化，与气候变量的关系比与植被结构的关系更密切。多元指数表明大型真菌分布区域环境条件的高度异质性。
4.3. Beta多样性、周转与群落组装
OGU间高的Bray–Curtis相异性值表明整个研究区域存在显著的Beta多样性。来自排序分析和层次分析聚类结果的一致性表明，大型真菌群落并非随机分布，而是形成了与环境梯度和空间梯度相联系的连贯组合。Beta多样性中周转组分相对于嵌套组分的优势，反映了强烈的位点特异性和OGU间有限的物种重叠。这种模式是真菌群落的典型特征，其局部组合由基质可利用性、宿主组成和微气候的精细尺度变化所塑造。这种高周转意味着区域多样性的维持主要依赖于空间异质性，而非局部丰富度本身。
4.4. Zeta多样性与多点物种持续性
Zeta多样性分析为大型真菌多样性的多点结构提供了进一步的见解。Zeta值随阶数增加而迅速下降，表明很少有物种在多个位点间共享，这加强了稀有性和局域性分布的普遍性。幂律模型比指数模型拟合更好，表明群落组装受确定性过程（如环境过滤和扩散限制）支配，而非随机的物种累积。这种模式意味着，广泛分布的物种在维持群落间连通性方面具有不成比例的影响力，而大多数物种主要贡献于局部独特性。从生态学角度来看，这凸显了保护一个环境多样化的位点网络，以捕获大型真菌多样性全谱系的重要性。
4.5. 对森林管理和保护的启示
大型真菌多样性对环境异质性和森林结构的强烈依赖，凸显了真菌群落对土地利用变化和森林经营措施的脆弱性。皆伐、林分同质化和宿主树种多样性的减少会破坏菌根网络，降低腐生真菌的基质可利用性，导致真菌组合趋于简化，并由耐干扰物种主导。
真菌多样性不仅仅是森林的一个组成部分；它代表着掌管能量流、养分循环和地下通讯的“操作系统”。在森林生态系统中，真菌是土壤环境与植被之间的关键界面。本研究确定的一个关键贡献是功能冗余。考虑到真菌物种的高度多样性，如果特定分类群因土壤pH、温度、湿度或降水的波动而受损，通常有其他物种存在以维持该关键生态位。这种冗余确保了生物地球化学循环的连续性，促进了森林的长期自维持能力。然而，当树木因物候提前（如芽开放）而提高养分需求，但菌根真菌因土壤水分不足而仍处于非活跃状态时，就会发生生态解耦。在这种情况下，树木的养分需求超过了真菌的供给能力，从而削弱了森林生产力。这种解耦导致幼苗存活率降低，并显著减缓了森林的自然更新。
本研究的分析强调，森林生态系统的可持续性是一种源于功能多样性和地下微生物网络复杂性的涌现属性，而非仅仅是物种丰富度。这些真菌组合作为一个生态“操作系统”，从根本上决定了能量加工和养分循环的效率。菌根网络在促进不同林龄和物种间碳转移和生化信号传递方面的作用尤为突出，是自然更新的一个关键驱动因素。此外，本研究的结果与真菌作为陆地碳汇决定性“守门人”的假说相一致。菌根真菌与腐生分解者之间的竞争排斥，是碳封存的一个关键调控机制，突显了其在气候变化减缓框架中的重要性。因此，森林经营策略必须从以树木为中心的模型，转向一种整合土壤调查的整体方法。保护菌根网络的完整性不仅仅是一个辅助考虑，而是增强生态系统恢复力的先决条件。在全球气候不稳定的背景下，优先维护这些地下“操作系统”，对于确保自然更新的成功和优化森林林分的长期碳封存潜力至关重要。
自然保护区域中七个不同聚类的识别表明，研究区域的真菌分布并非随机，而是由环境过滤所构建。这些分组很可能由气候变量和海拔梯度驱动，这些因子通过调节水分可利用性和温度来影响真菌群落组成。观察到的高的Beta多样性意味着，当前仅覆盖了33.5%记录物种的自然保护区域网络，可能未能涵盖真菌保护所需的全范围环境生态位。因此，未来的保护规划应优先考虑代表不足的海拔带和气候区，以弥补当前物种保护方面的缺口。
4.6. 局限性与未来方向
尽管本研究整合了广泛的出现数据集和多种分析方法，但必须承认一些局限性。采样强度在空间上存在差异，基于子实体的记录可能低估了隐性或非产子实体的物种。未来的研究结合分子方法和长期监测，将提高检测水平，并允许对真菌多样性进行更全面的评估。此外，整合详细的植被和土壤数据可以进一步阐明群落分化的潜在机制。将该分析框架扩展到其他区域，将有助于进行比较分析，并增进我们对更大尺度上大型真菌生物地理学的理解。
5. 结论
本研究结果建议，保护策略应优先考虑：
维持跨海拔和气候梯度的环境异质性；
保护能够提供稳定微气候条件和多样化基质的成熟林分；
保护具有高Beta多样性和Zeta多样性的区域，这些区域对区域真菌丰富度的贡献尤为突出。
将真菌纳入生物多样性评估和森林规划至关重要，因为仅基于植物的替代指标不足以捕捉大型真菌多样性模式。本研究应用的功能和多点位方法，为理解和保护森林生态系统中的真菌多样性提供了一个更全面的框架。森林保护必须从基于树木数量的方法，转向基于功能完整性的方法。保护真菌多样性和植物区系的功能性状，是确保森林生态系统在气候变化背景下持续提供生态系统服务的唯一途径。
