作者:程唯珈 来源: 中国科学报 发布时间:2019/5/23 10:11:14
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“木联网”来了!
科学家首次描绘出连接树木的地下微生物网络

一种名为Dermocybe的真菌形成了连接加利福尼亚森林地下木网的一部分。图片来源:KABIR GABRIEL PEAY

不论是参天的红木还是纤细的茱萸,只要是树木,一旦离开了它们的微生物“队友”就难以为继。上百万种真菌、细菌在土壤和树根间交换营养物质,编织出一张宽广的有机体网络,遍布整个树林。近日,科学家通过分析涵盖超过70个国家、28000种树木的数据库,首次在全球尺度上描绘出“木联网”地图。

“我之前从没见过任何人做过任何类似的事。”美国加州大学尔湾分校生态学家Kathleen Treseder说,“我真希望之前能想到这些。”

若要描绘森林地下网络系统地图,就必须预先知道一些更基础的东西:树木究竟生活在哪里。从2012年起,瑞士苏黎世联邦理工学院生态学家Thomas Crowther就开始搜集海量相关数据。这些数据有的来自政府机构,有的来自全世界辨别树木和测量参数的个体科学家。2015年,Crowther测绘出全球树木分布图,并报告称地球上大约存在3万亿棵树木。

受该论文启发,斯坦福大学生物学家Kabir Peay给Crowther致信,建议他将同样的工作细分到森林树木的地下有机体网络研究领域。Crowther数据库里的每一棵树都和某些种类的微生物紧密关联。

例如,橡树和松树的根部被外生菌根包围,它们可以在寻觅营养物质的过程中建立起一张广袤的地下网络。作为对比,枫树和雪松更偏爱丛枝菌根,它们直接藏身在树木根部细胞中,形成较小的土壤网络。其他树木,主要是豆科植物,与能把大气中的氮元素转化成可利用的植物性食物的细菌有关联。这个过程被称作“固氮”。

研究者在Crowther的数据库里创建了一个计算机算法,以搜寻那些附带外生菌根、丛枝菌根和固氮菌的相关树木与诸如温度、降水、土壤化学、地形等当地环境因素之间的关联性。研究者可以通过这一关联性填补全球木联网地图,并预测亚洲和非洲大部分之前缺乏数据的地区更可能存在哪种真菌。

当地气候为“木联网”搭建了舞台。研究团队在《自然》上报告称,在凉爽的温带森林和寒带森林中,木材和有机物质降解缓慢,创建网络的外生菌根占据统治地位。研究人员发现,这些地区大约4/5的树木都与该真菌相关。结果预示,当地研究中发现的网络确实也渗透了北美、欧洲和亚洲土壤。

相比之下,在较温暖的热带地区,木材和有机物质降解迅速,丛枝菌根占据主导地位。这种真菌只构成较小的网络,并较少在树木之间缠结交换。这意味着,热带的“木联网”可能更加局域化。这些地区约90%的树木与丛枝菌根相关,它们中的大部分集中在生物多样性极高的热带地区。固氮菌则在炎热干燥的地方丰度更高,比如美国西南地区的沙漠。

Charlie Koven是劳伦斯伯克利国家实验室的地球系统科学家,他对被自己称作首张全球森林微生物地图的研究成果给予高度评价。但他也好奇,文章作者是否忽略了某些塑造地下世界过程中的重要因素,包括一些难以测量的过程。“比如土壤中营养物质和气体的丧失可能会影响不同微生物的生活位置。”他说,“若真如此,该研究的预测可能就不那么准确。”

尽管存在诸多不确定性,这些与树木相关的微生物的栖息数据依然用处颇多。Treseder表示,这些发现可以帮助研究者建立更优的计算机模型,以预测碳元素在森林中四处流窜和在气候变暖的过程中释放到大气里的数量比例。

Crowther已做了相关预测。结果显示,在全球变暖的过程中,大约10%的外生菌根相关树木可能会被丛枝菌根相关树木取代。在丛枝菌根占主导地位的森林里,微生物以更快的速度“翻腾”着含碳有机物,因此能更快释放出锁住热量的二氧化碳。很有可能,本已速度骇人的气候变化会因此进一步加速。

对Treseder来说,这个主张“有一点点站不住脚,但是我愿意被说服”。她补充道。如今,科学家依然在发掘不同土壤真菌如何与碳元素相互作用的更多线索。

(程唯珈)

《中国科学报》 (2019-05-23 第3版 国际)
 
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