蔡曉布，彭岳林

西藏大學(xué)農(nóng)牧學(xué)院，林芝　860000

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西藏高原草地生態(tài)系統(tǒng)叢枝菌根真菌的地理分布

蔡曉布*，彭岳林

西藏大學(xué)農(nóng)牧學(xué)院，林芝860000

摘要:西藏高原是地球上極具特色的地理單元，對(duì)生物物種的形成與演化具有重要影響。基于孢子形態(tài)學(xué)鑒定，對(duì)從藏東南到藏西北(海拔高差>3500 m，年均溫、年均降水量差異分別>20 ℃、>800 mm)高原熱帶、亞熱帶、溫帶、亞寒帶和寒帶環(huán)境下發(fā)育而成的熱性草叢、暖性草叢、溫性草原、溫性荒漠、高寒草甸草原、高寒草原、高寒荒漠和高寒荒漠草原中的AM真菌群落進(jìn)行研究，結(jié)果表明，不同類型草地間AM真菌的群落相似度普遍較低，環(huán)境對(duì)AM真菌群落具有重要影響。從藏東南到藏西北，不同類型草地間AM真菌的群落相似度呈下降趨勢(shì)(Jaccard相似性系數(shù)從0.52降至0.20)，AM真菌群落組成及結(jié)構(gòu)變化漸趨加大，不同草地中的同種植物(包括廣譜種、青藏高原特有種)AM真菌群落相似度亦不同。沿藏東南到藏西北環(huán)境梯度，隨草地寒旱程度的逐步加劇，AM真菌種的豐度，特別是種數(shù)、Shannon-Weiner指數(shù)在總體上趨于顯著(P<0.05)下降，孢子密度則在總體上趨于顯著提高，優(yōu)勢(shì)種比例、Shannon-Weiner指數(shù)亦表現(xiàn)出增加的趨勢(shì)，表明AM真菌物種多樣性雖趨于下降，但生存及對(duì)環(huán)境的適應(yīng)能力趨于提高。海拔、土壤pH、有效磷和有機(jī)碳含量對(duì)AM真菌群落組成均具顯著影響，但海拔對(duì)水熱環(huán)境的影響決定著土壤環(huán)境的變化。因此，海拔和寒旱程度不斷上升所導(dǎo)致的pH顯著提高、土壤有機(jī)碳和有效磷含量顯著下降的綜合作用影響并決定著AM真菌的群落組成。研究結(jié)果對(duì)進(jìn)一步理解西藏高原生物多樣性的產(chǎn)生和維持機(jī)制等具有重要的參考價(jià)值。

關(guān)鍵詞：AM真菌；物種多樣性；生物地理分布；草地生態(tài)系統(tǒng)；西藏高原

研究生物體的時(shí)空分布規(guī)律、生存狀態(tài)、豐富程度及其原因是深入了解生物多樣性地理分布、產(chǎn)生和維持機(jī)制的重要基礎(chǔ)[1]。因此，更為深入了解微生物的生物地理分布對(duì)保護(hù)與維持生態(tài)系統(tǒng)多樣性、預(yù)測(cè)不同區(qū)域微生物的作用與影響至關(guān)重要[1]。長(zhǎng)期以來(lái)，人們對(duì)大生物的生物地理分布開(kāi)展了大量研究，對(duì)多樣性很高的微生物的研究卻非常缺乏[1- 2]，認(rèn)為微生物的生物多樣性水平完全不同于大生物[3]，不存在生物地理分布[4- 5]，并認(rèn)為這主要與微生物自身的生理與繁殖特性等因素有關(guān)[6]。同時(shí)，過(guò)去基于培養(yǎng)的研究錯(cuò)過(guò)了對(duì)大多數(shù)微生物多樣性的發(fā)現(xiàn)亦是重要原因[7]。近年來(lái)，研究者對(duì)微生物，特別是AM真菌等不可培養(yǎng)的微生物的生物地理分布給予了更多的關(guān)注[1,8]。越來(lái)越多的證據(jù)表明，微生物不僅存在著生物地理分布特征[1,8- 11]，且類似于大生物的地理分布[1]，盡管對(duì)此仍存爭(zhēng)論[4,12- 14]。新近，一些研究者基于對(duì)根際土壤中或植物根內(nèi)AM真菌DNA的提取，研究了AM真菌分類群(OUT, operational taxonomic unit)的地理分布特征[10- 11,15]。與此同時(shí)，一些學(xué)者則通過(guò)對(duì)已發(fā)表文獻(xiàn)的分析，就AM真菌的地理分布格局開(kāi)展了研究[16- 17]。研究發(fā)現(xiàn)，自然狀態(tài)下的微生物也有不同的數(shù)量、分布和多樣性，不同地點(diǎn)的微生物群落及生物地理分布特征不同，且微生物的群落組成影響著生態(tài)系統(tǒng)的過(guò)程[1,18- 19]。因此，許多研究者認(rèn)為環(huán)境異質(zhì)性是影響微生物群落空間異質(zhì)性的重要因素[20]，微生物群落趨于生境選擇[17, 21- 23]。但亦有研究認(rèn)為寄主植物對(duì)AM真菌群落的影響較生境更為重要[14]。

西藏高原是地球上一個(gè)極具特色的地理單元，對(duì)生物物種的形成與演化具有重要影響。近10年來(lái)，西藏高原AM真菌相關(guān)研究主要集中在群落組成和物種多樣性[24- 25]，以及AM真菌群落沿海拔梯度的變化[25- 26]等方面。已有工作多以局部區(qū)域、個(gè)別生態(tài)系統(tǒng)為對(duì)象，且取樣方法、研究手段等方面亦有所不同[24- 26]，難以從大尺度上了解西藏高原AM真菌的地理分布特征。從生物地理學(xué)的層面看，環(huán)境影響并決定著植物的群落結(jié)構(gòu)和物種多樣性[27]，高生產(chǎn)力環(huán)境發(fā)育和保存了古老的植物區(qū)系和最大的物種多樣性，低生產(chǎn)力環(huán)境則為現(xiàn)代植物種系的演化、發(fā)生創(chuàng)造了條件，但植物群落物種多樣性較低[28- 29]。從藏東南到藏西北，地理跨度(>2000 km)巨大、環(huán)境變化劇烈(海拔高差>3500 m，年均溫和年均降水量差異分別>20℃、>800 mm)，高原熱帶、亞熱帶、溫帶、亞寒帶和寒帶環(huán)境依次展布，氣候呈暖溫濕潤(rùn)—寒冷半濕潤(rùn)—寒冷半干旱—寒冷干旱的規(guī)律性變化，漸次呈現(xiàn)出從熱性草叢到高寒荒漠、從黃壤到高山寒漠土的植物、土壤地理分布格局[30]。因此，在從藏東南到藏西北這一環(huán)境梯度上，植物區(qū)系由古老到年輕、植物物種多樣性和資源生產(chǎn)力由高到低的變化將可能意味著AM真菌亦具有與環(huán)境、植物相適應(yīng)的地理分布格局。因此，以橫貫西藏高原多類草地的這一地理帶為軸線，有助于進(jìn)一步探究不同區(qū)域AM真菌的地理分布及其環(huán)境影響等重要科學(xué)命題。

1材料和方法

1.1樣品采集

西藏高原不同類型草地AM真菌孢子繁殖的高峰期(孢子形態(tài)亦較穩(wěn)定)均在暖季(5—9月)，但受海拔主導(dǎo)的水、熱環(huán)境影響，藏東南地區(qū)AM真菌的最適產(chǎn)孢時(shí)間相對(duì)較早(5—6月)，其它區(qū)域7—9月孢子數(shù)量則較大。因此，本研究中均以各區(qū)域AM真菌的產(chǎn)孢高峰期作為采樣期。其中，藏東南熱性草叢、暖性草叢供試樣品采集于2010年5—6月，藏中溫性草原、溫性荒漠供試樣品采集于2008年8—9月，藏北高寒草原、高寒草甸草原供試樣品分別采集于2009年8—9月、2013年8—9月，藏西北高寒荒漠草原、高寒荒漠供試樣品采集于2011年8—9月。

由于西藏高原不同類型草地分布面積、植物種類差異懸殊，故在不同類型草地所采集的目標(biāo)植物帶根土壤混合樣品數(shù)不同。具體采樣時(shí)，為有效避免其它植物對(duì)目標(biāo)植物根際的干擾，在各類草地中均選擇具有叢生或片生特點(diǎn)的草本植物做為目標(biāo)植物。目標(biāo)植物選定后，即隨機(jī)確定面積為1 m × 1 m的采樣點(diǎn)3個(gè)(間隔100—150 m左右)；于每個(gè)采樣點(diǎn)鏟除表層土壤2 cm，并按2—30 cm土層采集帶根土樣；之后，將每一目標(biāo)植物的3個(gè)帶根土壤樣品組成1個(gè)混合樣品(熱性草叢、暖性草叢、溫性草原、溫性荒漠、高寒草甸草原、高寒草原、高寒荒漠草原和高寒荒漠混合樣品數(shù)分別為13、14、17、18、13、30、19、11個(gè))。在實(shí)驗(yàn)室將植物根系存放在4 ℃冰箱，土壤樣品經(jīng)室內(nèi)自然風(fēng)干后備用。土壤pH值、有機(jī)碳分別采用電位法、K2Cr2O7容量法-外加熱法，中性和石灰性土壤、酸性土壤有效磷(P2O5)分別采用0.5 mol/L NaHCO3法、0.03 mol/L NH4F-0.025 mol/L HCl法測(cè)定。

所涉各類草地采樣點(diǎn)地理位置，以及土壤、植物侵染情況等見(jiàn)表1。

1.2AM真菌形態(tài)學(xué)鑒定

取100 g自然風(fēng)干土樣，采用濕篩傾析-蔗糖離心法篩取孢子；之后，用微吸管挑取孢子于載玻片上(加30%甘油浮載劑封片)，顯微觀測(cè)并記錄孢子顏色、連孢特征，測(cè)定孢子大?。粔核殒咦雍笥^測(cè)內(nèi)含物、孢壁層次及各層顏色，測(cè)定各層孢壁的厚度(萊卡顯微鏡自帶圖像分析軟件測(cè)定)等。鑒定中輔助使用Melzer′s試劑以觀測(cè)孢子的特異性反應(yīng)。綜合以上觀測(cè)結(jié)果，根據(jù)《VA菌根真菌鑒定手冊(cè)》及INVNAM(http://invam.caf.wvu.edu/Myc-lnfo/)的分類描述進(jìn)行屬(種)檢索、鑒定(表2)。

1.3數(shù)據(jù)計(jì)算方法

以3次重復(fù)平均值作為結(jié)果。

①孢子密度(SD)每100 g風(fēng)干根層土樣中不同AM真菌種的孢子數(shù)。

②種數(shù)(SN)指某生境中AM真菌的物種數(shù)。

③種的豐度(SR)每100 g根層土樣所含AM真菌種的平均數(shù):

SR= AM真菌種出現(xiàn)總次數(shù)/土壤樣本數(shù)。

④物種多樣性(H)采用Shannon-Weiner指數(shù)公式計(jì)算:

(1)

式中，k為某樣點(diǎn)中AM真菌的種數(shù)，Pi為該樣點(diǎn)AM真菌種i的孢子密度占該樣點(diǎn)總孢子密度的百分比。

⑤ 分離頻度(IF)某AM真菌屬(種)在樣本總體中的出現(xiàn)頻率:

IF= AM真菌某屬(種)的出現(xiàn)土樣數(shù)/總土樣數(shù))× 100%

據(jù)此將AM真菌劃分為3個(gè)優(yōu)勢(shì)度等級(jí)：IF≥50%為優(yōu)勢(shì)屬(種)、≥10%—<50%為常見(jiàn)屬(種)、<10%為偶見(jiàn)屬(種)。

此外，共有種、特有種分別指見(jiàn)于各類草地或僅見(jiàn)于一類草地的AM真菌。

⑥相對(duì)多度(RA)

RA=SD/ ∑SD× 100%

式中，SD為某樣點(diǎn)AM真菌某屬(種)的孢子數(shù)，∑SD為某樣點(diǎn)AM真菌總孢子數(shù)。

表 1　不同類型草地分布特征及土壤、植物樣品概況

表 2　不同類型草地AM真菌

+ 表示某AM真菌在該草地出現(xiàn)Sign (+) indicates the AM fungi occurred in this sample site; *優(yōu)勢(shì)種 Dominant species of grassland types

⑦Jaccard系數(shù)

R=a/ (a+b+c)

式中，R為Jaccard系數(shù)，用以測(cè)度2個(gè)群落物種的親緣關(guān)系；a指2個(gè)群落共同出現(xiàn)的物種數(shù)目；b、c指2個(gè)群落各自出現(xiàn)的物種數(shù)之和。據(jù)此，將群落物種組成的親緣關(guān)系劃分為極低(<0.20)、低(0.21—0.40)、中(0.41—0.60)、高(0.61—0.80)、極高(0.80—1.00)等5個(gè)等級(jí)。

差異顯著性分析采用LSR法，相關(guān)分析、CCA分析分別采用Excel 2003、CANOCO 4.5計(jì)算。

2結(jié)果與分析

2.1不同類型草地AM真菌群落構(gòu)成及其變化

西藏高原不同類型草地AM真菌屬、種構(gòu)成具有地域性分布特征。不同類型草地AM真菌屬的構(gòu)成介于2—5屬之間，屬數(shù)變化缺乏明顯規(guī)律，環(huán)境條件差異很大的暖性草叢與高寒荒漠草原間、溫性荒漠與高寒荒漠間AM真菌屬的構(gòu)成完全相同(表2)。

西藏高原草地生態(tài)系統(tǒng)中，AM真菌種數(shù)、種的豐度間呈顯著正相關(guān)(r= 0.710*)。從藏東南到藏西北，草地AM真菌種數(shù)總體呈顯著的波動(dòng)式下降，種的豐度亦基本呈相同趨勢(shì)，但高寒草原種的豐度顯著高于熱性草叢、暖性草叢(圖1)。共有屬(Acaulosporas、Glomus)對(duì)AM真菌種數(shù)、種的豐度均具重要影響，但各類草地中Glomus屬種的豐度所占比重均遠(yuǎn)大于Acaulosporas屬。同時(shí)，從藏東南到藏西北，Glomus、Acaulosporas屬真菌種的豐度在不同類型草地中所占比重分別呈增、減趨勢(shì)，其它各屬對(duì)AM真菌群落構(gòu)成的作用相對(duì)較小(圖1)。

圖1　各類草地AM真菌種數(shù)、種的豐度Fig.1　Number of AM fungi species and species abundance in all types of grasslandsTT：熱性草叢Tropical tussock，WT：暖性草叢Warm tussock，TS：溫性草原Temperate steppe，TD：溫性荒漠Temperate desert，AMS：高寒草甸草原Alpine meadow steppe，AS：高寒草原Alpine stepp，ADS：高寒荒漠草原Alpine desert steppe，AD：高寒荒漠Alpine desert

西藏高原不同類型草地間AM真菌的群落相似度普遍較低(表3)，群落組成變化較大。從藏東南到藏西北，隨環(huán)境差異的逐步擴(kuò)大，熱性草叢與其它草地間的Jaccard系數(shù)總體呈下降趨勢(shì)，說(shuō)明AM真菌對(duì)環(huán)境變化的敏感度差異不斷增加，群落組成及結(jié)構(gòu)變化漸趨加大?？梢?jiàn)，草地環(huán)境對(duì)AM真菌的群落組成具有重要影響，且草地間環(huán)境差異越大，AM真菌Jaccard系數(shù)越低。

表3　西藏高原不同類型草地AM真菌Jaccard系數(shù)

同種植物在不同草地中的AM真菌群落相似度亦不同，如不同草地中的青藏高原特有種紫花針茅(圖2)、廣譜種沙生針茅(圖2)均表現(xiàn)出草地環(huán)境越接近且寒旱程度愈高，AM真菌群落相似度越大、親緣關(guān)系相對(duì)越高的趨勢(shì)，說(shuō)明草地環(huán)境對(duì)AM真菌群落的影響較大。

2.2不同類型草地AM真菌生存與繁殖能力及其變化

孢子密度是表征AM真菌群落生存狀態(tài)的重要指標(biāo)。西藏高原生態(tài)條件下，不同類型草地中AM真菌孢子密度顯著不同，從藏東南到藏西北總體表現(xiàn)出不同程度的上升趨勢(shì)，并以藏北高寒草甸草原、高寒草原孢子密度最大，而隨海拔和寒旱程度的加劇，至藏西北高寒荒漠草原、高寒荒漠孢子密度的增加趨于顯著下降(圖3)。

從分離頻度看，共有屬中Glomus屬均為優(yōu)勢(shì)屬，Acaulospora屬則僅為部分草地優(yōu)勢(shì)屬；Scutellospora屬見(jiàn)于6類草地，亦具較強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)能力；其余各屬則僅見(jiàn)于1—3類草地，環(huán)境適應(yīng)能力弱或極弱(圖3)。

圖2　不同草地中青藏高原特有種紫花針茅、廣譜種沙生針茅AM真菌群落相似性Fig.2　 Community similarity of the AM fungi endemic species Stipa purpurea and the broad-spectrum Stipa glareosa in different grasslands of the Qinghai-Tibetan Plateau

圖3　不同類型草地AM真菌孢子密度、相對(duì)多度和分離頻度Fig.3　Spore density, relative abundance and isolation frequency of the AM fungi in different types of grasslands

2.3不同類型草地AM真菌物種多樣性及其變化

從藏東南到藏西北，AM真菌Shannon-Weiner指數(shù)在總體上雖趨顯著下降，但下降過(guò)程表現(xiàn)出很大的波動(dòng)性。從熱性草叢到溫性荒漠，Shannon-Weiner指數(shù)從最高降至最低，之后即呈不同程度的回升，但回升幅度隨草地寒旱程度的加劇而下降(圖4)。

共有屬對(duì)AM真菌物種多樣性均具重要貢獻(xiàn)。統(tǒng)計(jì)分析表明，Acaulosporas、Glomus屬種數(shù)與Shannon-Weiner指數(shù)均呈極顯著正相關(guān)(r值分別為0.794**、0.890**)，Acaulosporas、Glomus屬相對(duì)多度則與Shannon-Weiner指數(shù)分別呈極顯著正相關(guān)和負(fù)相關(guān)(r值分別為0.869**、-0.888**)。各類草地中，Glomus屬真菌Shannon-Weiner指數(shù)所占比重不僅均遠(yuǎn)高于Acaulospora屬，且所占比重亦基本隨草地旱寒程度的增加而提高，Acaulospora屬則相反。其它各屬在所涉及的草地中亦表現(xiàn)出一定的規(guī)律(圖4)?？梢?jiàn)，同類草地各屬AM真菌間、各類草地同屬AM真菌間Shannon-Weiner指數(shù)均不同，Glomus屬真菌在很大程度上影響并決定著AM真菌的物種多樣性。

圖4　不同類型草地AM真菌Shannon-Weiner指數(shù)及各屬所占比例Fig.4　The Shannon-Weiner index and the proportion of AM fungi in different types of grasslands

2.4AM真菌優(yōu)勢(shì)種、特有種與共有種及其變化

優(yōu)勢(shì)種、特有種和共有種體現(xiàn)著生物群落中的不同或相同個(gè)體對(duì)環(huán)境適應(yīng)能力的差異。西藏高原草地生態(tài)系統(tǒng)中，AM真菌優(yōu)勢(shì)種、特有種、共有種分別占AM真菌總數(shù)的13.6%、54.2%和5.1%，并均以Glomus屬真菌為主；不同類型草地中，AM真菌優(yōu)勢(shì)種、特有種和共有種所占比例分別在4.2%—25.0%、0—33.3%、11.5%—30.0%之間(表2)。地理分布上，從藏東南到藏西北，AM真菌群落中的優(yōu)勢(shì)種、共有種所占比例在總體上均趨于增加；特有種則有所不同(溫性荒漠未見(jiàn)分布)，由高寒草甸草原向水熱環(huán)境的兩極(特別是寒旱程度高的藏西北區(qū)域)均趨于下降。

孢子密度、Shannon-Weiner指數(shù)在總體上呈優(yōu)勢(shì)種>共有種>特有種的趨勢(shì)；從藏東南到藏西北，不同類型草地優(yōu)勢(shì)種、共有種孢子密度、Shannon-Weiner指數(shù)在總體上均趨于不同程度的提高；特有種則在總體上表現(xiàn)出藏北>藏東南>藏中>藏西北的趨勢(shì)(圖5)。

圖5　不同草地AM真菌優(yōu)勢(shì)種、特有種、共有種變化Fig.5　The changes of the dominant, endemic and common species in different types of grasslands同類草地不同小寫(xiě)字母表示差異顯著性達(dá)5%水平

同類草地、不同草地中，優(yōu)勢(shì)種、共有種Shannon-Weiner指數(shù)均不同，如共有種Shannon-Weiner指數(shù)在總體上表現(xiàn)出G.geosporum>G.aggregatum>A.laevis的趨勢(shì)。見(jiàn)，即使是共有種，其物種多樣性及在群落中的作用亦受草地環(huán)境的強(qiáng)烈影響(圖6)。

圖6　不同草地AM真菌優(yōu)勢(shì)種、共有種H值所占比重　Fig.6　The proportions of H value of the AM fungi dominant species, common species in different types of grasslands

2.5環(huán)境與土壤因子對(duì)AM真菌地理分布的影響

CCA分析結(jié)果表明，第一軸和所有軸蒙特卡羅檢驗(yàn)的P值均<0.01，第一軸和第二軸的解釋量分別為3.4%和2.6%。海拔、土壤pH值、有效磷和有機(jī)碳對(duì)AM真菌的群落均具顯著影響。其中，海拔是影響AM真菌群落的主要因素(圖7)。

圖7　不同類型草地土壤中AM真菌物種組成與環(huán)境因子的CCA排序Fig.7　The composition of the AM fungi species and the CCA sequencing in different types of grasslands

環(huán)境因子對(duì)AM真菌種數(shù)、孢子密度和Shannon-Weiner指數(shù)均具重要影響，環(huán)境因子對(duì)Acaulospora屬的影響顯著高于Glomus屬(表4)。

3討論

生物群落結(jié)構(gòu)、種群組成、物種多樣性及其差異是反映生物地理分布的重要指標(biāo)[31]。從整體看，西藏高原環(huán)境并不利于AM真菌的種群發(fā)展，不同類型草地AM真菌種數(shù)均較少，藏東南熱性草叢AM真菌種數(shù)亦僅為其它地區(qū)多類生態(tài)系統(tǒng)平均種數(shù)的52.6%[32]。但是，西藏高原不同草地生態(tài)系統(tǒng)AM真菌的群落組成、物種多樣性顯著不同。AM真菌的群落形成受菌絲擴(kuò)散[33]和自然擴(kuò)散[13]的嚴(yán)重限制，人為因素(尤其是農(nóng)業(yè))則是推動(dòng)其孢子擴(kuò)散的主要原因[13]。從藏東南到藏西北，不同草地間崇山阻隔，彼此處于相對(duì)隔離的狀態(tài)，加之地廣人稀(藏北、藏西北地區(qū)多屬“無(wú)人區(qū)”)，人類干擾極為有限或無(wú)干擾，多類草地尚處于原生狀態(tài)，阻斷了AM真菌的人為擴(kuò)散過(guò)程。近年研究表明，資源的限制是菌根共生體產(chǎn)生局域適應(yīng)性的主要驅(qū)動(dòng)力[34]，盡管地理距離、土壤溫度和濕度、植物群落類型等對(duì)AM真菌分布、群落結(jié)構(gòu)均具重要影響，但生境(地理距離、土壤溫度和濕度)或擴(kuò)散限制的影響對(duì)AM真菌的群落形成可能更具重要作用[17]。新近基于全球采樣和高通量測(cè)序分析，研究者發(fā)現(xiàn)不同的地史成因亦影響并決定著AM真菌的地理分布[10]。因此，受生境和擴(kuò)散限制的影響，西藏高原不同類型草地中AM真菌群落組成的顯著差異應(yīng)主要在于不同環(huán)境中AM真菌的自然進(jìn)化。而在崇山阻隔，草地環(huán)境差異懸殊的條件下，部分草地間AM真菌屬的構(gòu)成相同、共有種所占比例很大(如暖性草叢、高寒荒漠草原間共有種分別占45.8%、73.3%、溫性荒漠、高寒荒漠間共有種分別占54.5%、60.0%)的現(xiàn)象(表1)，亦在一定程度上體現(xiàn)了西藏高原不同類型草地中AM真菌的平行進(jìn)化過(guò)程。與此同時(shí)，宿主植物顯著的地理分布特征，以及其對(duì)AM真菌所具有的一定程度的選擇性[14]，亦可能是影響西藏高原AM真菌地理分布格局的重要因素。

一般而言，在影響AM真菌群落結(jié)構(gòu)的諸多土壤因子中，土壤pH、土壤有機(jī)質(zhì)、土壤有效磷的影響最為顯著[35]。一些研究甚至認(rèn)為，由于土壤pH決定著植物群落的構(gòu)成，因而對(duì)AM真菌群落、菌絲生長(zhǎng)亦具有關(guān)鍵影響[36-37]，通過(guò)土壤pH變化可以預(yù)測(cè)AM真菌群落的變化[38]。一些研究則發(fā)現(xiàn)，溫度、降水量對(duì)AM真菌群落及菌絲發(fā)育具有重要影響[39- 40]。本研究中，相對(duì)于土壤環(huán)境變量，海拔對(duì)AM真菌群落的影響最為顯著。

表4　環(huán)境因子對(duì)AM真菌種數(shù)、種的豐度和Shannon-Weiner的影響

有關(guān)研究表明，影響AM真菌群落的多種因素沿海拔梯度所產(chǎn)生的相應(yīng)變化均可能影響AM真菌的功能和組成[25]，其中溫度的影響至關(guān)重要[41]，海拔梯度主要通過(guò)影響溫度、降水量而影響植物群落和AM真菌的群落分布[41]。最近幾年，國(guó)內(nèi)一些研究者對(duì)藏東南色季拉山等高大山體開(kāi)展了研究，發(fā)現(xiàn)并證實(shí)海拔所導(dǎo)致的溫度和降水量變化對(duì)AM真菌群落組成具有顯著影響[25- 26]。盡管本研究所涉及的草地類型、地域多而廣泛，但從藏東南到藏西北草地類型遞變的實(shí)質(zhì)是由于海拔高度的逐步提升所導(dǎo)致的溫度、降水量的不斷下降，這不僅決定著植物群落的組成，對(duì)土壤的形成與發(fā)育亦具深刻影響。因此，沿這一環(huán)境梯度，由于氣候漸由潮濕向濕潤(rùn)、半干旱、干旱類型過(guò)渡，在植物多樣性、資源生產(chǎn)力漸趨降低[30]的同時(shí)，土壤環(huán)境亦發(fā)生著相應(yīng)的變化。如從藏東南到藏西北，隨海拔和干旱程度的不斷提高，土壤鈣積過(guò)程、鹽堿化過(guò)程均呈不同程度的提高，其結(jié)果是導(dǎo)致土壤pH值的不斷提高。統(tǒng)計(jì)分析表明，本研究中海拔與土壤pH值的相關(guān)系數(shù)為0.735**，海拔與土壤有效磷、有機(jī)碳含量的相關(guān)系數(shù)分別為-0.631*、-0.719**，這是導(dǎo)致從藏東南到藏西北AM真菌種的豐度，特別是種數(shù)、Shannon-Weiner指數(shù)在總體上趨于顯著下降、孢子密度趨于顯著提高的主要原因。但從局部看，環(huán)境條件相對(duì)較好的西藏中部草地AM真菌種的豐度、多樣性指數(shù)不同程度的低于藏北、藏西北草地，則與該區(qū)域草地退化嚴(yán)重、植被蓋度低有關(guān)[42-43]?？梢?jiàn)，海拔主導(dǎo)下的水熱環(huán)境所導(dǎo)致的土壤環(huán)境變化的綜合作用在整體上影響并決定著西藏高原草地生態(tài)系統(tǒng)中AM真菌的地理分布，從藏東南到藏西北AM真菌物種多樣性雖趨顯著下降，但長(zhǎng)期的自然進(jìn)化則使AM真菌主要通過(guò)強(qiáng)化繁殖與產(chǎn)孢的策略提高其生存與抗逆能力。蓋京蘋(píng)等對(duì)藏中、藏北草地的研究亦有AM真菌孢子密度、Shannon-Weiner指數(shù)隨草地寒旱程度提高分別表現(xiàn)出增、減趨勢(shì)[44]的類似結(jié)果。但土壤pH值與孢子密度、物種多樣性分別呈正相關(guān)和極顯著負(fù)相關(guān)的結(jié)果則與其它研究完全不同[45-46]。需要強(qiáng)調(diào)的是，盡管隨不同類型草地海拔高度的變化，氣溫、降雨量、植物類型、土壤性質(zhì)等均會(huì)發(fā)生相應(yīng)變化，但對(duì)此問(wèn)題的上述討論僅僅是基于一般科學(xué)原理的推測(cè)，尚缺乏全面、具體的數(shù)據(jù)支撐，如果能進(jìn)一步了解西藏高原環(huán)境，特別是水、熱梯度變化對(duì)AM真菌群落的影響，將有助于深入理解AM真菌群落沿海拔梯度變化的實(shí)質(zhì)和地理分布特征。

從藏東南到藏西北，各類草地優(yōu)勢(shì)種和共有種所占比例、優(yōu)勢(shì)種和共有種Shannon-Weiner指數(shù)在總體上均趨于不同程度的提高，這是AM真菌對(duì)逆境適應(yīng)策略的另一重要體現(xiàn)。特有種是生物群落中對(duì)特定環(huán)境具有特殊適應(yīng)能力的種。Zinger等研究發(fā)現(xiàn)，盡管高山土壤中真菌群落受生境的影響，但僅有少數(shù)幾個(gè)種屬于特有種[23]。本研究中，除溫性荒漠未見(jiàn)分布，其它7類草地特有種比例高達(dá)10%—33.3%。但沿藏東南到藏西北環(huán)境梯度，特有種所占比例、Shannon-Weiner指數(shù)并未表現(xiàn)出隨草本植物、青藏(西藏)高原特有植物種比例增加而提高的趨勢(shì)。

對(duì)群落相似度的有關(guān)研究發(fā)現(xiàn)，洲際尺度上AM真菌的群落相似度無(wú)顯著差異，而在全球大尺度背景下，隨著地理距離的增加，AM真菌的群落相似度下降[17]。本研究則表明，西藏高原環(huán)境對(duì)AM真菌群落及物種多樣性具有很大影響，群落相似度在區(qū)域尺度上即已表現(xiàn)出明顯差異。從藏東南到藏西北，由于環(huán)境對(duì)AM真菌群落的影響逐步增大，群落演替過(guò)程不斷加快，Jaccard相似性系數(shù)從0.52降至0.20。不同草地中的同種植物(包括廣譜種、青藏高原特有種)AM真菌群落相似度亦明顯不同，亦說(shuō)明生境對(duì)AM真菌群落的影響較大?？梢?jiàn)，隨草地旱寒程度的提高，環(huán)境條件的逐步惡化抑或生存壓力的不斷強(qiáng)化是推動(dòng)植物、AM真菌協(xié)同進(jìn)化的關(guān)鍵因素。

西藏高原獨(dú)特的地史成因和生物進(jìn)化過(guò)程對(duì)研究AM真菌的地理分布問(wèn)題提供了一個(gè)重要平臺(tái)。但是，基于AM真菌形態(tài)學(xué)鑒定所得出的本項(xiàng)研究結(jié)果具有一定的局限性。因此，利用分子生物學(xué)方法系統(tǒng)地開(kāi)展此類研究，對(duì)深入理解并揭示西藏高原AM真菌的地理分布，預(yù)測(cè)AM真菌群落變化對(duì)高原環(huán)境的影響與作用等均具重要意義。

參考文獻(xiàn)(References):

[1]Jennifer B Hughes Martiny, Brendan J M Bohannan, James H Brown, Robert K Colwell, Jed A Fuhrman, Jessica L Green, M Claire Horner-Devine, Matthew Kane, Jennifer Adams Krumins, Cheryl R Kuske, Peter J Morin, Shahid Naeem, Lise ?vre?s, Anna-Louise Reysenbach, Val H Smith, James T Staley. Microbial biogeography: putting microorganisms on the map. Nature Reviews Microbiology, 2006, 4(2): 102- 112.

[2]Jessica Green, Brendan J M Bohannan. Spatial scaling of microbial biodiversity. Trends in Ecology and Evolution, 2006, 21(9): 501- 507.

[3]Finlay B J, Esteban G F, Olmo J L, Tyler P A. Global distribution of free-living microbial species. Ecography, 1999, 22(2): 138- 144.

[4]John Whitfield. Biogeography: Is everything everywhere?. Science, 2005, 310(5750): 960- 961.

[5]Jani Heino, Luis Mauricio Bini, Satu Maaria Karjalainen, Heikki Mykr?, Janne Soininen, Ludgero Cardoso Galli Vieira, José Alexandre Felizola Diniz-Filho. Geographical patterns of micro-organismal community structure: are diatoms ubiquitously distributed across boreal streams?. Oikos, 2010, 119: 129- 137.

[6]Tom Fenchel, Bland J Finlay. The ubiquity of small species: patterns of local and global diversity. BioScience, 2004, 54(8): 777- 784.

[7]Melissa Merrill Floyd, Jane Tang, Matthew Kane, David Emerson. Captured diversity in a culture collection: case study of the geographic and habitat distributions of environmental isolates held at the American type culture collection. Applied and Environmental Microbiology, 2005, 71(6): 2813- 2823.

[8]Fierer N. Microbial biogeography: patterns in microbial diversity across space and time // Zengler K. Accessing Uncultivated Microorganisms: From the Environment to Organisms and Genomes and Back. Washington DC: ASM Press, 2008: 95- 115.

[9]John Davison, Maarja ?pik, Tim J Daniell, Mari Moora, Martin Zobel. Arbuscular mycorrhizal fungal communities in plant roots are not random assemblages. FEMS Microbiology Ecology, 2011, 78(1): 103- 115.

[10]Maarja ?pik, Martin Zobel, Juan J Cantero, John Davison, José M Facelli, Inga Hiiesalu, Teele Jairus, Jesse M Kalwij, Kadri Koorem, Miguel E Leal, Jaan Liira, Madis Metsis, Valentina Neshataeva, Jaanus Paal, Cherdchai Phosri, Sergei P?lme, ülle Reier, ülle Saks, Heidy Schimann, Odile Thiéry, Martti Vasar, Mari Moora. Global sampling of plant roots expands the described molecular diversity of arbuscular mycorrhizal fungi. Mycorrhiza, 2013, 23(5): 411- 430.

[11]Christopher J van der Gast, Paul Gosling, Bela Tiwari, Gary D Bending. Spatial scaling of arbuscular mycorrhizal fungal diversity is affected by farming practice. Environmental Microbiology, 2011, 13(1): 241- 249.

[12]Bland J Finlay. Global dispersal of free-living microbial eukaryote species. Science, 2002, 296(5570): 1061- 1063.

[13]S?ren Rosendahl. Communities, populations and individuals of arbuscular mycorrhizal fungi. New Phytologist, 2008, 178(2): 253- 266.

[14]Katie M Becklin, Kate L Hertweck, Ari Jumpponen. Host identity impacts rhizosphere fungal communities associated with three alpine plant species. Microbial Ecology, 2012, 63(3): 682- 693.

[15]Mari Moora, Silje Berger, John Davison, Maarja ?pik, Riccardo Bommarco, Helge Bruelheide, Ingolf Kühn, William E Kunin, Madis Metsis, Agnes Rortais, Alo Vanatoa, Elise Vanatoa, Jane C Stout, Merilin Truusa, Catrin Westphal, Martin Zobel, Gian-Reto Walther. Alien plants associate with widespread generalist arbuscular mycorrhizal fungal taxa: evidence from a continental-scale study using massively parallel 454 sequencing. Journal of Biogeography, 2011, 38(7): 1305- 1317.

[16]?pik M, Vanatoa A, Vanatoa E, Moora M, Davison J, Kalwij J M, Reier U, Zobel M. The online database MaarjAMreveals global and ecosystemic distribution patterns in arbuscular mycorrhizal fungi (Glomeromycota). New Phytologist, 2010, 188(1): 223- 241.

[17]Stephanie N Kivlina, Christine V Hawkesb, Kathleen K Treseder. Global diversity and distribution of arbuscular mycorrhizal fungi. Soil Biology and Biochemistry, 2011, 43(11): 2294- 2303.

[18]Marcel G A van der Heijden, John N Klironomos, Margot Ursic, Peter Moutoglis, Ruth Streitwolf-Engel, Thomas Boller, Andres Wiemken, Ian R Sanders. Mycorrhizal fungal diversity determines plant biodiversity, ecosystem variability and productivity. Nature, 1998, 396(6706): 69- 72.

[19]Thomas Bell, Jonathan A Newman, Bernard W Silverman, Sarah L Turner, Andrew K Lilley. The contribution of species richness and composition to bacterial services. Nature, 2005, 436(7054): 1157- 1160.

[20]Fierer N, Jackson R B. The diversity and biogeography of soil bacterial communities. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 2006, 103(3): 626- 631.

[21]Lucie Zinger, David P H Lejon, Florence Baptist, Abderrahim Bouasria, Serge Aubert, Roberto A Geremia, Philippe Choler. Contrasting diversity patterns of crenarchaeal, bacterial and fungal soil communities in an alpine landscape. PLoS One, 2011, 6(5): e19950, doi: 10.1371/journal.pone.0019950.

[22]Bachar A, Al-Ashhab A, Soares M I M, Sklarz M Y, Roey Angel R, Ungar E D, Gillor O. Soil microbial abundance and diversity along a low precipitation gradient. Microbial Ecology, 2010, 60(2): 453- 461.

[23]Zinger L, Coissac E, Choler P, Geremia R A. Assessment of microbial communities by graph partitioning in a study of soil fungi in two alpine meadows. Applied and Environmental Microbiology, 2009, 75(18): 5863- 5870.

[24]蔡曉布, 彭岳林, 蓋京蘋(píng). 西藏高山草原AM真菌生態(tài)分布. 應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào), 2010, 21(10): 2635- 2644.

[25]Gai J P, Tiana H, Yang F Y, Christie P, Li X L, Klironomos J N. Arbuscular mycorrhizal fungal diversity along a Tibetan elevation gradient. Pedobiologia-International Journal of Soil Biology, 2012, 55(3): 145- 151.

[26]Li X L, Gai J P, Cai X B, Li X L, Christie P, Zhang F S, Zhang J L. Molecular diversity of arbuscular mycorrhizal fungi associated with two co-occurring perennial plant species on a Tibetan altitudinal gradient. Mycorrhiza, 2014, 24(2): 95- 107.

[27]Pacala S, Tilman D. The transition from sampling to complementary // Kinzig A P. eds. The Functional Consequences of Biodiversity: Empirical Progress and Theoretical Extensions. Princeton: Princeton University Press, 2002: 151- 166.

[28]Peter M Vitousek. Beyond global warming: Ecology and global change. Ecology, 1994, 75(7): 1861- 1876.

[29]Diana Lieberman, Milton Lieberman, Rodolfo Peralta, Gary S Hartshorn. Tropical forest structure and composition on a large-scale altitudinal gradient in Costa Rica. Journal of Ecology, 1996, 84(2): 137- 152.

[30]西藏自治區(qū)土地管理局. 西藏自治區(qū)土壤資源. 北京: 科學(xué)出版社, 1994: 51- 153.

[31]Arvie Odland, Roger del Moral. Thirteen years of wetland vegetation succession following a permanent drawdown, Myrkdalen Lake, Norway. Plant Ecology, 2002, 162(2): 185- 198.

[32]劉潤(rùn)進(jìn), 焦惠, 李巖, 李敏, 朱新產(chǎn). 叢枝菌根真菌物種多樣性研究進(jìn)展. 應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào), 2009, 20(9): 2301- 2307.

[33]Scott A Mangan, Gregory H Adler. Consumption of arbuscular mycorrhizal fungi by terrestrial and arboreal small mammals in a Panamanian cloud forest.JournalofMammalogy, 2000, 81(2): 563- 570.

[34]Nancy Collins Johnson, Gail W T Wilson, Matthew A Bowker, Jacqueline A Wilson, R Michael Miller. Resource limitation is a driver of local adaptation in mycorrhizal symbioses. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 2010, 107(5): 2093- 2098.

[35]Matthias C Rillig. Arbuscular mycorrhizae and terrestrial ecosystem processes. Ecology Letters, 2004, 7(8): 740- 754.

[36]Ingrid M Van Aarle, P?l Axel Olsson, Bengt S?derstr?m. Arbuscular mycorrhizal fungi respond to the substrate pH of their extraradical mycelium by altered growth and root colonization. New Phytologist, 2002, 155(1): 173- 182.

[37]Telgason Helgason, Alastair H Fitter. Natural selection and the evolutionary ecology of the arbuscular mycorrhizal fungi (Phylum Glomeromycota). Journal of Experimental Botany, 2009, 60(9): 2465- 2480.

[38]Michael S Fitzsimons, R Michael Miller, Julie D Jastrow. Scale-dependent niche axes of arbuscular mycorrhizal fungi. Oecologia, 2008, 158(1): 117- 127.

[39]Mayra E Gavito, Peter Schweiger, Iver Jakobsen. P uptake by arbuscular mycorrhizal hyphae: effect of soil temperature and atmospheric CO2enrichment. Global Change Biology, 2003, 9(1): 106- 116.

[40]Christine V Hawkes, Iain P Hartley, Phil Ineson, Alastair H Fitter. Soil temperature affects carbon allocation within arbuscular mycorrhizal networks and carbon transport from plant to fungus. Global Change Biology, 2008, 14(5): 1181- 1190.

[41]Koske R E, Gemma J N. Mycorrhizae and succession in plantings of beachgrass in sand dunes. American Journal of Botany, 1997, 84(1): 118- 130.

[42]Liu Y J, He J X, Shi G X, An L Z, Maarja ?pik, Feng H Y. Diverse communities of arbuscular mycorrhizal fungi inhabit sites with very high altitude in Tibet Plateau. FEMS Microbiology Ecology, 2011, 78(2): 355- 365.

[43]Su Y Y, Guo L D. Arbuscular mycorrhizal fungi in nongrazed, restored and over-grazed grassland in the Inner Mongolia steppe. Mycorrhiza, 2007, 17(8): 689- 693.

[44]Gai J P, Christie P, Cai X B, Fan J Q, Zhang J L, Feng G, Li X L. Occurrence and distribution of arbuscular mycorrhizal fungal species in three types of grassland community of the Tibetan Plateau. Ecological Research, 2009, 24(6): 1345- 1350.

[45]Andrew P Coughlan, Yolande Dalpé, Line Lapointe, Yves Piché. Soil pH-induced changes in root colonization, diversity, and reproduction of symbiotic arbuscular mycorrhizal fungi from healthy and declining maple forests. Canadian Journal of Forest Research, 2000, 30(10): 1543- 1554.

[46]Jonas F Toljander, Juan C Santos-González, Anders Tehler, Roger D Finlay. Community analysis of arbuscular mycorrhizal fungi and bacteria in the maize mycorrhizosphere in a long-term fertilization trial. FEMS Microbiology Ecology, 2008, 65(2): 323- 338.

Geographical distribution of arbuscular mycorrhizal fungi in the grassland ecosystems of the Tibetan Plateau

CAI Xiaobu*, PENG Yuelin

AgriculturalandAnimalHusbandryCollegeofTibetUniversity,Linzhi860000,China

Abstract：The Tibetan plateau is a unique geographical unit that plays important roles in the formation and evolution of biological species. On the basis of spore morphology, we preliminarily investigated arbuscular mycorrhizal (AM) fungal communities in tropical tussock (TT), warm tussock (WT), temperate desert steppe (TDS), temperate desert (TD), alpine meadow steppe (AMS), alpine steppe (AS), alpine desert (AD), and alpine desert steppe (ADS) environments in southeastern to northwestern Tibet (altitude > 3500 m; mean annual temperature difference > 20 ℃; mean annual amount of precipitation difference > 800 mm), including plateau tropic, subtropic, temperate, subfrigid, and frigid zones. The results showed that the community similarity of AM fungi in different types of grasslands was generally low, and the type of environment had an important effect on the AM fungal community. Community similarity of AM fungi in different types of grassland demonstrated a decreasing trend from southeastern to northwestern Tibet (Jaccard similarity coefficient decreased from 0.52 to 0.20). Changes in the composition and structure of the AM fungal community increased gradually. AM fungal community similarity for the same plant species (including a broad spectrum of species and species endemic to the Qinghai-Tibetan Plateau) in different grasslands was also different. With a gradually aggravated degree of cold and drought in the grasslands along the environmental gradient from southeastern to northwestern Tibet, the abundance of AM fungi species, especially the number of species, showed significantly decreasing trends, according to the Shannon-Weiner index (P<0.05). At the same time, spore density demonstrated dramatically increasing trends, and the proportion of dominant species in relation to the Shannon-Weiner index also showed a tendency to increase. This indicated that although the diversity of AM fungi showed decreasing trends, their survival and adaptability to the environment tended to improve. The effects of altitude, soil pH, effective phosphorus, and organic carbon content on AM fungal communities were significant, whereas the effects of altitude on the hydrothermal environment determined the changes in the soil environment. Therefore, AM fungal community composition was determined by the comprehensive effects of a dramatic increase in pH and soil organic carbon and a dramatic decrease in effective phosphorus content due to the gradually increasing altitude and degree of cold and drought. Our results have an important reference value for the further understanding of the production and maintenance of organism diversity in the Tibetan Plateau.

Key Words:AM fungi, species diversity, geographical distribution of organisms, grassland ecosystem, Tibetan Plateau

基金項(xiàng)目:國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(41161043, 41461054)

收稿日期:2014- 11- 19; 網(wǎng)絡(luò)出版日期:2015- 10- 10

*通訊作者

Corresponding author.E-mail: xbcai21@sina.com

DOI:10.5846/stxb201411192291

蔡曉布，彭岳林.西藏高原草地生態(tài)系統(tǒng)叢枝菌根真菌的地理分布.生態(tài)學(xué)報(bào),2016,36(10):2807- 2818.

Cai X B, Peng Y L.Geographical distribution of arbuscular mycorrhizal fungi in the grassland ecosystems of the Tibetan Plateau.Acta Ecologica Sinica,2016,36(10):2807- 2818.