【原】科研 | Nature：連接樹木的地下微生物網(wǎng)絡(luò)地圖被科學(xué)家們繪制出來了

微生態(tài) 2021-04-13

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本文由木木的天空編譯，瑪莉,、江舜堯編輯,。

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導(dǎo)讀

從高大的紅杉樹到纖細(xì)的山茱萸,，如果沒有微生物的陪伴，樹木就什么都不是,。數(shù)以百萬計(jì)的真菌和細(xì)菌在土壤和樹根之間交換養(yǎng)分,，在整個(gè)樹林中形成了一個(gè)巨大的相互連接的有機(jī)體網(wǎng)絡(luò)?，F(xiàn)在,，科學(xué)家們使用了一個(gè)包含70多個(gè)國家2.8萬多種樹種的數(shù)據(jù)庫，第一次在全球范圍內(nèi)繪制了這種微生物網(wǎng)絡(luò),。其研究結(jié)果最終表明，隨著地球變暖,，大約10%的外生菌根相關(guān)樹木可能被叢枝菌根相關(guān)樹木所取代,。在以叢枝菌根真菌為主的森林中，微生物會(huì)加快含碳有機(jī)物的流失速度,，因此它們可以迅速釋放大量吸熱的二氧化碳,，這可能會(huì)加速已經(jīng)以驚人的速度發(fā)生的氣候變化的進(jìn)程。

論文ID

原名：Climatic controls of decomposition drive the global biogeography of forest-tree symbioses

譯名：連接樹木的地下微生物網(wǎng)絡(luò)地圖被科學(xué)家們繪制出來了

期刊：Nature

IF：41.577

發(fā)表時(shí)間：2019年

通信作者：B. S. Steidinger, T. W. Crowther, J. Liang

通信作者單位：Department of Biology, Stanford University, Stanford, CA, USA.

研究概況

微生物共生體強(qiáng)烈影響森林生態(tài)系統(tǒng)的功能,。與根相關(guān)的微生物利用無機(jī),、有機(jī)和/或大氣形式的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)而使植物生長(zhǎng)，且能夠確定樹木如何響應(yīng)CO₂濃度的增加,，調(diào)節(jié)土壤微生物的呼吸活動(dòng),，并通過改變同種負(fù)密度依賴強(qiáng)度進(jìn)而影響植物物種的多樣性。盡管人們?cè)絹碓秸J(rèn)識(shí)到根系共生體對(duì)于森林功能的重要性以及將共生狀態(tài)整合到預(yù)測(cè)陸地生物圈功能變化的地球系統(tǒng)模型中的潛力,，但在全球范圍內(nèi)缺乏明確的空間根共生體的定量地圖,。樹木共生狀態(tài)的定量地圖將地下微生物共生的功能特征的生物地理學(xué)與分布在地球森林、林地和稀樹草原上的3.1萬億株宿主聯(lián)系起來,。

圖1 一種被稱為朱紅絲膜菌的真菌形成了連接加利福尼亞森林的地下木網(wǎng)的一部分（引自https://www./news/2019/05/wood-wide-web-underground-network-microbes-connects-trees-mapped-first-time?utm_campaign=news_daily_2019-05-15&et_rid=548678018&et_cid=2818234）

根系共生體主要有叢枝菌根真菌,、外生菌根真菌、杜鵑花菌根真菌和固氮菌(N-fixers),，它們都是通過交換植物光合產(chǎn)物來限制大量營(yíng)養(yǎng)素的,。叢枝菌根共生是近5億年前進(jìn)化而來的，外生菌根,、杜鵑花菌根和固氮植物類群是由叢枝菌根基礎(chǔ)狀態(tài)進(jìn)化而來的,。參與叢枝菌根共生的植物約占陸生植物種類的80%;這些植物主要依靠叢枝菌根真菌來提高礦物質(zhì)磷的吸收。與叢枝菌根真菌相反,，外生菌根真菌是從多種系列的腐生祖先進(jìn)化而來的,，因此，一些外生菌根真菌能夠直接調(diào)動(dòng)土壤養(yǎng)分的有機(jī)來源（特別是氮）,。當(dāng)土壤氮素受到限制時(shí),，外生菌根真菌而非叢枝菌根真菌的關(guān)聯(lián)會(huì)使樹木能夠加速光合作用以響應(yīng)大氣CO₂濃度的增加，并通過對(duì)微生物生物分解而抑制土壤呼吸,。由于增加的植物光合作用和降低的土壤呼吸都會(huì)降低大氣中的二氧化碳濃度,，外生菌根共生體與緩沖地球氣候和對(duì)抗人類干擾有關(guān)。

與從土壤中提取營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的菌根真菌不同,，共生固氮菌(根瘤菌和放線菌)將大氣中的N₂轉(zhuǎn)化為植物可利用的形式,。共生固氮菌在生物土壤氮輸入中占很大比例，在共生固氮菌局部富集的森林中,，其可以提高氮的利用率,。與共生固氮菌或外生菌根真菌共生的植物通常比叢枝菌根共生的植物通常需要更多的光合產(chǎn)物。由于樹木生長(zhǎng)和繁殖受到無機(jī),、有機(jī)和大氣氮源的限制,，根系共生體的分布很可能反映了成本最大化的環(huán)境條件：共生交換的效益比及不同共生體的生理約束。

圖2 土壤養(yǎng)分相對(duì)量與植物磷(P)獲取策略隨土壤發(fā)生的變化,。土壤風(fēng)化程度越低,，磷含量越高，菌根植物對(duì)磷的吸收效果越好（引自Abrah?o, A. et al.,2018）

森林中與根系相關(guān)的微生物共生體優(yōu)勢(shì)種的特性決定了樹木從大氣或土壤池中獲取有限營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的能力,，隔離碳并抵御氣候變化的影響,。因此，確定這些共生生物的全球分布特征并確定控制這種分布的因素是了解森林生態(tài)系統(tǒng)目前和未來功能的必要條件,。本文利用一個(gè)包括110多萬塊森林資源圖的數(shù)據(jù)庫,，其中共有28000多種樹種，繪制了一幅空間明確的全球森林共生狀況地圖,。研究表明,，氣候變量，特別是氣候控制的分解速率的變化是主要共生生物全球分布的主要驅(qū)動(dòng)力因素,。從數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)來看,，外生菌根樹木只占所有植物種類的2%，約占地球上樹數(shù)量的60%,。外生菌根共生體在季節(jié)性寒冷和干燥氣候抑制分解的森林中占主導(dǎo)地位,，在高緯度和海拔地區(qū)是主要的共生形式。相比之下,，叢枝菌根樹在季節(jié)性溫暖的熱帶森林中占優(yōu)勢(shì),，在溫帶生物群落中，叢枝菌根樹與外生菌根樹一起出現(xiàn),，其中季節(jié)性溫暖和濕潤(rùn)的氣候促進(jìn)了分解,。以外生菌根或叢枝菌根樹為主的森林之間的大陸過渡區(qū)域，沿著氣候驅(qū)動(dòng)的分解梯度相對(duì)突然地發(fā)生,；這些轉(zhuǎn)變可能是由植物和微生物之間的正反饋效應(yīng)所引起的,。對(duì)于分解的氣候控制—共生固氮菌—(與菌根真菌相比，對(duì)氣候分解的控制不敏感)在堿性土壤和高溫的干旱生物群落中最為豐富,。文章所記錄的氣候驅(qū)動(dòng)的全球共生梯度為全球范圍內(nèi)的微生物共生提供了一個(gè)明確的空間定量理解,，并證明了微生物共生在塑造植物物種分布方面的關(guān)鍵作用。

圖3 一般根系類型示意圖（引自Oliveira, R. S., 2016）

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

最早了解植物根系共生功能生物地理學(xué)的最早努力之一是通過其感知到的優(yōu)勢(shì)菌根類型對(duì)生物群落進(jìn)行分類,，并假設(shè)季節(jié)性氣候有利于與外生菌根真菌相關(guān)的宿主（由于這些宿主具有直接競(jìng)爭(zhēng)有機(jī)氮的能力）,。相比之下，最近有人提出,，盡管有可能通過固氮來減輕北方森林的氮限制,，但對(duì)低溫的敏感性已經(jīng)阻止了固氮菌在熱帶以外地區(qū)的主導(dǎo)地位,。然而，缺乏對(duì)這些生物地理模式及其氣候驅(qū)動(dòng)因素的全球范圍測(cè)試,。為了解決這個(gè)問題,，文章編制了一個(gè)全球陸源調(diào)查數(shù)據(jù)庫，以揭示全球各類共生的數(shù)量豐度,。這樣的數(shù)據(jù)庫對(duì)于確定沿著氣候梯度的森林共生體狀態(tài)轉(zhuǎn)變的潛在機(jī)制至關(guān)重要,。

我們使用基于地塊的全球森林生物多樣性（GFB）數(shù)據(jù)庫的擴(kuò)展來確定樹木共生體的豐富度，我們稱之為GFBi,；這個(gè)擴(kuò)展的數(shù)據(jù)庫包含超過110萬個(gè)基于個(gè)體的測(cè)量記錄的森林庫存圖,，我們從中獲得整個(gè)樹群體的豐度信息（圖4）。利用已發(fā)表的有關(guān)菌根和固氮共生體進(jìn)化歷史的文獻(xiàn),，我們將GFBi的植物物種分為五種與根相關(guān)的共生群：叢枝菌根,、外生菌根、杜鵑花菌根,、固氮菌根和弱叢枝菌根或非菌根,。然后利用K-fold交叉驗(yàn)證的隨機(jī)森林算法，確定氣候,、土壤化學(xué),、植被、地形等變量對(duì)各共生群落相對(duì)豐度的重要性和影響,。因?yàn)榉纸馐侵参锟梢垣@得土壤養(yǎng)分的主要過程,，我們根據(jù)Yasso07模型計(jì)算年度和季度分解系數(shù)，該模型描述了溫度和降水梯度如何影響不同葉凋落物化學(xué)庫的質(zhì)量損失率（參數(shù)）使用先前的葉分解全球研究擬合,。最后,，我們?cè)谌蛏锶郝涞姆秶鷥?nèi)預(yù)測(cè)了我們的預(yù)測(cè)模型，這些模型屬于我們的模型訓(xùn)練數(shù)據(jù)的多變量分布,。

圖4 全球分布的GFBi訓(xùn)練數(shù)據(jù)

我們的分析表明,，樹木共生的三個(gè)數(shù)量最多的群體中的每一個(gè)都具有可靠的環(huán)境特征，其中四個(gè)最重要的預(yù)測(cè)因子分別占外生菌根,，叢枝菌根和固氮菌共生菌相對(duì)基底面積總變異性的81％,，79％和52％。鑒于樹木中的環(huán)狀菌根真菌和弱叢枝或非菌根共生狀態(tài)的相對(duì)稀有性,，這些共生體的模型缺乏強(qiáng)大的預(yù)測(cè)能力,，盡管原始數(shù)據(jù)確實(shí)確定了一些局部豐富的熱帶土壤，以促進(jìn)類生物菌根共生,。因此,，我們專注于三種主要的樹共生狀態(tài)（外生菌根，叢枝菌根和固氮菌）,。盡管來自北美和南美的數(shù)據(jù)占訓(xùn)練數(shù)據(jù)的65％（按1比1的網(wǎng)格尺度）,，但我們的模型準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)了所有主要地理區(qū)域的三個(gè)主要共生體的比例豐度,。我們模型的高性能對(duì)K折疊交叉驗(yàn)證和稀疏樣品具有很強(qiáng)的性能，使所有大陸都具有相同的深度,，表明氣候的區(qū)域變化（包括對(duì)分解的間接影響）土壤pH值（對(duì)于固氮菌）是影響每個(gè)群體在全球范圍內(nèi)相對(duì)優(yōu)勢(shì)的主要因素,；地理來源僅解釋了剩余相對(duì)豐度變異性的約2-5％。

盡管最近對(duì)根系特征的一項(xiàng)全球分析得出的結(jié)論是,，植物進(jìn)化有利于減少對(duì)菌根真菌的依賴，但我們發(fā)現(xiàn)與相對(duì)更多碳限制和最近衍生的外生菌根真菌相關(guān)的樹木代表了主要的樹木共生關(guān)系,。通過對(duì)外生菌根樹的平均比例,，對(duì)樹干密度的空間進(jìn)行直觀全局預(yù)測(cè)加權(quán)，我們估計(jì)地球上大約60％的樹干是外生菌根,，盡管事實(shí)上只有2％的總植物物種與外生菌根真菌有關(guān)（相比之下,，近80％與叢枝菌根真菌有關(guān)）。在熱帶地區(qū)之外,，對(duì)外生菌根共生的相對(duì)豐度的估計(jì)增加到大約80％的樹木范圍,。

數(shù)據(jù)分析

主要共生群體之間的更替導(dǎo)致了三模態(tài)緯度的豐度梯度，其中外生菌根樹木比例隨離赤道距離的增加而增加(叢枝菌根樹木比例減少),，固氮樹木上分位數(shù)在干旱區(qū)在30°N或S左右達(dá)到豐度高峰（圖6a和7）,。這些趨勢(shì)是由沿著大陸氣候梯度的突然過渡區(qū)域驅(qū)動(dòng)的（圖5），這使得生物群落之間的共生體分布發(fā)生了偏差(圖6a),，并在影響氣候的地理和地形特征之間形成了強(qiáng)烈的模式,。

圖5 少數(shù)環(huán)境變量預(yù)測(cè)了全球大部分森林的更替處于共生狀態(tài)

從赤道向北或向南移動(dòng)，第一個(gè)過渡區(qū)將溫暖（季節(jié)性）熱帶闊葉林與世界其他森林系統(tǒng)的叢林菌根共生（> 75％中位基部面積與外生菌根樹的8％）分開,，這是外生菌根共生占主導(dǎo)地位（圖5a,，b和6a）。過渡區(qū)發(fā)生在全球大約25°N和S,，剛好超出干燥的熱帶闊葉林（其基底面積的25％由外生菌根樹組成）（圖6a）,，其中月平均溫度變化達(dá)到3-5°C（溫度季節(jié)性）（圖5a，b）,。再向北或向南移動(dòng),，第二個(gè)過渡性氣候區(qū)將一年中最熱季度分解系數(shù)小于2的區(qū)域分隔開來(圖6b給出了相關(guān)的溫度和降水范圍)。在北美和中國,，這個(gè)過渡帶發(fā)生在50°N左右,，將混合叢枝菌根和外生菌根溫帶森林與其相鄰的以外生菌根為主的北方森林(分別占其基礎(chǔ)面積的75%和100%，由外生菌根樹組成)分隔開來(圖6a),。這種過渡性分解帶并不存在于西歐,，西歐的溫度季節(jié)性為>5°C，但缺乏足夠濕潤(rùn)的夏季以加速分解系數(shù),，使其超過與混合叢枝菌根和外生菌根森林相關(guān)的值,。在生物群落中觀察到的共生狀態(tài)的緯度轉(zhuǎn)變通過沿著海拔梯度的生物群內(nèi)轉(zhuǎn)變來反映,。例如,在墨西哥的熱帶地區(qū)，在一年中最熱和最潮濕的季節(jié)里,，分解系數(shù)小于2的現(xiàn)象發(fā)生在馬德雷山脈的斜坡上,，在那里，干旱氣候下的灌木菌根和固氮林地的混合物過渡到以菌根為主的熱帶針葉林（75％基底面積）（圖6a和4a c）,。南半球缺少陸地來支持廣泛的北方森林,，分解速度上經(jīng)歷了類似的緯向轉(zhuǎn)變，在大約28°S左右,，沿著分隔其熱帶和溫帶生物群落的交錯(cuò)帶進(jìn)行分解,。

圖6 森林共生狀態(tài)在生物群落中的分布與氣候?qū)Ψ纸獾目刂朴嘘P(guān)

我們?cè)谏止采鸂顟B(tài)沿環(huán)境梯度檢測(cè)到的突然轉(zhuǎn)變表明，在分解的氣候和生物控制之間可能存在正反饋效應(yīng),。與叢枝菌根真菌相比,，一些外生菌根真菌可以利用氧化酶將凋落物中的有機(jī)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)礦化，并將營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)轉(zhuǎn)化為植物可利用的形式,。相對(duì)于叢枝菌根樹,，外生菌根樹的葉凋落物在化學(xué)上也更耐分解，并且具有更高的C：N比率和更高濃度的分解抑制二級(jí)化合物,。因此,，外生菌根葉凋落物會(huì)加劇分解的氣候障礙，并促進(jìn)外生菌根真菌具有優(yōu)于叢枝菌根真菌的養(yǎng)分獲取能力的條件,。最近的一個(gè)博弈論模型表明,，植物和土壤養(yǎng)分之間的正反饋效應(yīng)可以導(dǎo)致菌根共生的局部雙穩(wěn)定性。眾所周知,，這種正反饋效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致林地和草地之間沿著平滑的環(huán)境梯度發(fā)生突然的生態(tài)系統(tǒng)轉(zhuǎn)變:樹木抑制火災(zāi)(這促進(jìn)了幼苗的生長(zhǎng)),，而草則助長(zhǎng)火災(zāi)，殺死樹木的種子,。突變的存在也表明,，隨著未來環(huán)境的變化，沿分解梯度過渡區(qū)域的森林應(yīng)處于共生狀態(tài),，易發(fā)生顯著的周轉(zhuǎn)量,。

圖7 預(yù)測(cè)森林-樹木共生狀態(tài)的全球地圖

為說明全球樹木共生模式對(duì)氣候變化的敏感性，我們利用我們?cè)诋?dāng)前氣候中觀察到的關(guān)系來預(yù)測(cè)未來森林共生狀態(tài)的潛在變化,。相對(duì)于使用最新氣候數(shù)據(jù)的全球預(yù)測(cè),，使用2070年預(yù)測(cè)氣候的模型預(yù)測(cè)表明，外生菌根樹的豐度將下降多達(dá)10％（使用每平方米8.5 W的相對(duì)濃度路徑),。我們的模型預(yù)測(cè)外生菌根豐度的最大下降將發(fā)生在北溫帶生態(tài)交錯(cuò)帶,，氣候分解系數(shù)的小幅增加導(dǎo)致叢枝菌根林的突然轉(zhuǎn)變（圖5a，b）。盡管我們的模型沒有估計(jì)氣候變化與森林群落響應(yīng)之間的時(shí)間間隔,，但外生菌根樹的預(yù)測(cè)下降證實(shí)了常見的園林轉(zhuǎn)移和模擬升溫實(shí)驗(yàn)的結(jié)果,，這些實(shí)驗(yàn)表明在氣候條件發(fā)生變化的北方溫帶交疊帶，一些重要的外生菌根宿主數(shù)量會(huì)減少,。

沿氣候梯度的優(yōu)勢(shì)營(yíng)養(yǎng)交換共生體的變化突出了生物圈大氣和土壤之間的相互聯(lián)系,。從叢枝菌根向外生菌根優(yōu)勢(shì)的轉(zhuǎn)變與隨緯度的增加植物生長(zhǎng)受磷、氮限制的程度而相應(yīng)的增加,。包括已發(fā)表的全球土壤總氮或磷,、微生物氮或土壤磷組分(不穩(wěn)定、閉塞,、有機(jī)和磷灰石)預(yù)測(cè),，沒有增加模型解釋的變異量，也沒有改變最重要的變量;因此,，我們從分析中放棄了這些預(yù)測(cè)。然而,，我們的研究發(fā)現(xiàn),，分解的氣候控制是優(yōu)勢(shì)菌根關(guān)聯(lián)的最佳預(yù)測(cè)因子，這為共生生理學(xué)和氣候控制對(duì)落葉層土壤養(yǎng)分釋放的控制提供了一種機(jī)制上的聯(lián)系,。這些發(fā)現(xiàn)與里德的假說相一致,，里德假說認(rèn)為，高緯度地區(qū)的緩慢分解有利于外生菌根真菌,，因?yàn)樗鼈冡尫庞袡C(jī)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的能力增強(qiáng)了,。因此，雖然需要更多的實(shí)驗(yàn)來了解營(yíng)養(yǎng)競(jìng)爭(zhēng)有利于叢枝菌根或外生菌根共生的優(yōu)勢(shì)的具體機(jī)制,，我們建議將從叢枝菌根為主的森林向外生菌根為主的森林的緯度和海拔轉(zhuǎn)變稱為里德規(guī)則,。

我們的分析側(cè)重于在與現(xiàn)有數(shù)據(jù)相適應(yīng)的大空間尺度上的預(yù)測(cè)，但我們關(guān)于里德規(guī)則的發(fā)現(xiàn)也提供了關(guān)于土壤因素如何構(gòu)建網(wǎng)格單元內(nèi)樹共生的精細(xì)尺度分布的深入了解,。例如,，在粗尺度上，我們發(fā)現(xiàn)在許多潮濕的熱帶森林中,，外生菌根樹相對(duì)稀少;然而,，我們?cè)紨?shù)據(jù)中的單個(gè)熱帶站點(diǎn)的范圍從0到100%的基礎(chǔ)區(qū)域都是由外生菌根樹主導(dǎo)的。在大部分潮濕的熱帶地區(qū),，這些以外生菌根為主的部位在主要為叢枝菌根樹的基質(zhì)中作為異常值存在,。一個(gè)明顯的例外，證明了里德規(guī)則,。一個(gè)季節(jié)性溫暖的新熱帶氣候,，加速葉片分解和促進(jìn)叢枝菌根共生的區(qū)域優(yōu)勢(shì)（圖6）外生菌根主導(dǎo)的樹木林分可以發(fā)展在土壤貧瘠和頑拗的垃圾的地方減緩分解和氮礦化的速度。共生狀態(tài)相對(duì)豐度的景觀尺度變化也隨著氣候梯度的變化而變化：干旱和溫帶生物群落的變異性最高，這表明當(dāng)?shù)仞B(yǎng)分變異有利于特定共生的潛力取決于氣候,。

外生菌根樹與植物生長(zhǎng)主要受氮限制的生態(tài)系統(tǒng)有關(guān),，而固氮菌樹則不然。我們的研究結(jié)果突出了表觀氮循環(huán)悖論的全球范圍,，其中一些指標(biāo)表明在溫帶地區(qū)氮限制更大,，而固氮樹在熱帶地區(qū)相對(duì)更常見（圖6a）。我們發(fā)現(xiàn),，我們估計(jì)占所有樹木7%的固氮菌在年最高氣溫>35℃和堿性土壤的森林中占主導(dǎo)地位,，特別是在北美和非洲(圖5c)。固氮菌在干旱灌木林（24％）,，熱帶稀樹草原（21％）和干燥闊葉林生物群落（20％）中的相對(duì)豐度最高,，但在北方森林中幾乎不存在（<1％）（圖6a和7））。隨著緯度的增加,，固氮菌樹豐度的下降與之前記錄的固氮微生物的特征有關(guān),，從熱帶森林中的兼性根瘤菌N固定劑到溫帶森林中的專性放線菌N固定劑。我們的數(shù)據(jù)無法完全解開先前提出的用于調(diào)和氮循環(huán)悖論的幾個(gè)假設(shè),。然而,，我們的結(jié)果與模型預(yù)測(cè)和區(qū)域經(jīng)驗(yàn)證據(jù)一致，固氮樹在干旱生物群系中尤為重要,。主要基于觀察到的固氮菌的相對(duì)豐度與最熱月的平均溫度的正非線性關(guān)聯(lián)（圖5c）,，我們的模型預(yù)測(cè)，在從潮濕到干燥的熱帶森林生物群落過渡期間,，固氮菌相對(duì)豐度將增加兩倍(圖6a),。

雖然土壤微生物在多樣性和生態(tài)系統(tǒng)功能方面是森林的主要組成部分，但確定全球尺度的微生物生物地理模式仍然是一項(xiàng)持續(xù)的研究重點(diǎn),。我們的分析證實(shí),，里德規(guī)則是微生物共生特有的第一個(gè)提出的生物地理規(guī)則之一，成功地描述了菌根群體之間的全球轉(zhuǎn)變,。更普遍地說,，氣候驅(qū)動(dòng)植物和微生物之間主要共生生物的更替代表了地球系統(tǒng)的一種基本生物模式，因?yàn)樯謴牡途暥葏仓ㄟ^固氮向高緯度外生菌根生態(tài)系統(tǒng)過渡,。我們模型的預(yù)測(cè)(作為全球柵格層補(bǔ)充數(shù)據(jù)提供)現(xiàn)在可以用來表示全球生物地球化學(xué)模型中這些關(guān)鍵的生態(tài)系統(tǒng)變化,，這些模型用于預(yù)測(cè)樹木、土壤和大氣內(nèi)部和之間的氣候生物地球化學(xué)反饋效應(yīng),。此外,，含有固氮樹木比例的柵格層可以用來繪制潛在的共生固氮圖，該圖將大氣中的碳和氮連接起來,。未來的工作可以擴(kuò)展我們的發(fā)現(xiàn),，納入多種植物生長(zhǎng)形式和非森林生物群落(其中可能存在類似的模式)，從而產(chǎn)生一個(gè)完整的全球視角。我們的預(yù)測(cè)圖利用一個(gè)全面的全球森林?jǐn)?shù)據(jù)集來生成一個(gè)森林樹木共生的定量全球地圖,，并演示了營(yíng)養(yǎng)共生是如何與全球植物群落分布相結(jié)合的,。

點(diǎn)評(píng)

本文研究人員編寫了一種計(jì)算機(jī)算法來搜索Crowther數(shù)據(jù)庫中外生菌根、叢枝菌根和固氮菌相關(guān)樹木與當(dāng)?shù)丨h(huán)境因素(如溫度,、降水,、土壤化學(xué)和地形)之間的關(guān)系。然后,，他們利用算法發(fā)現(xiàn)的相關(guān)性來填充全球地圖,，并預(yù)測(cè)哪些真菌會(huì)生活在他們沒有數(shù)據(jù)的地方，包括非洲和亞洲的大部分地區(qū),。他們發(fā)現(xiàn)每棵樹都與某些類型的微生物密切相關(guān),。例如，橡樹和松樹的根部被外生菌根真菌(EM)所包圍,，這些真菌可以建立巨大的地下網(wǎng)絡(luò)來尋找營(yíng)養(yǎng)物質(zhì),。相比之下，楓樹和雪松樹更喜歡叢枝菌根(AM),，它們直接鉆入樹木的根細(xì)胞,，但形成更小的土壤網(wǎng)。還有一些樹木,，主要是豆科植物(與大豆和花生等農(nóng)作物有關(guān))，與細(xì)菌有關(guān),，它們能將大氣中的氮轉(zhuǎn)化為可用的植物食物,，這一過程被稱為固氮。另外,，相比之下,，在溫暖的熱帶地區(qū)，木材和有機(jī)物的腐爛速度很快,，AM真菌占據(jù)了主導(dǎo)地位,。這些真菌形成更小的網(wǎng)，樹與樹之間的交換也更少,，這意味著熱帶樹木的萬維網(wǎng)可能更本地化,。約90%的樹種與AM真菌有關(guān);絕大多數(shù)都集中在高度多樣化的熱帶地區(qū)。固氮?jiǎng)┰谘谉岣稍锏牡胤阶钬S富,，比如美國西南部的沙漠,。

隨著地球變暖，大約10%的外生菌根相關(guān)樹木可能被叢枝菌根相關(guān)樹木所取代,。在以叢枝菌根真菌為主的森林中,，微生物會(huì)加快含碳有機(jī)物的流失速度，因此它們可以迅速釋放大量吸熱的二氧化碳，這可能會(huì)加速已經(jīng)以驚人的速度發(fā)生的氣候變化的進(jìn)程,。盡管這一結(jié)論由于其過大范圍尺度的預(yù)測(cè),，可能存在著一定的不確定性，但第一個(gè)樹木相關(guān)微生物生存的確切數(shù)字將非常有用,。例如,，這些發(fā)現(xiàn)可以幫助研究人員建立更好的計(jì)算機(jī)模型，預(yù)測(cè)隨著氣候變暖,，有多少碳森林將被儲(chǔ)存起來,，以及它們將向大氣中排放多少。

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