邱园揭示外生真菌根对森林健康的重要性

内容提要

能与植物根部形成互惠关系的真菌被称为菌根真菌。在欧洲的森林中，几乎所有树种的根部都被所谓的外生菌根真菌覆盖。邱园科学节估算了从意大利南部到芬兰北部，从西班牙到罗马尼亚等欧洲主要树种土壤中的真菌多样性。这些结果揭示了哪些真菌生长在哪里，为什么生长，以及污染对真菌活动的影响。研究成果被广泛刊登在专业期刊、《Nature》等主流科学刊物以及《Plant Life/Plant Link》（植物生命/植物链接）的报告中，以提高人们对这些真菌和依赖它们的树木所面临的威胁的认识。

图1 欧洲赤松外生菌根

图2 菌根关联如何驱动植物种群和群落生物学菌根类型（圆圈）对植物种群和群落水平过程（正方形）影响的不同方案

图3 通过外生菌根共生恢复重金属污染环境

多年来，人们一直知道土壤和生活在土壤中的生物的重要性。然而，直到最近人们才有可能揭示树根是如何与土壤中的生物协同工作的。这得益于分子生态学的进步，科学家现在首次能够将污染与真菌的大规模变化联系起来。自 2018 年以来，邱园和帝国理工学院的科学家们已经能够展示整个欧洲的主要森林土壤生物群的分布、丰度和树木寄主偏好。

邱园研究的是外生菌根真菌--那些与植物根系相互合作（共生）生长的真菌。在欧洲森林土壤深处，几乎所有树种的每一条根都被真菌覆盖。真菌从土壤中吸收水分和养分，自己使用一部分，然后把剩下的传给树根。作为回报，树根将它从光合作用中获得的部分能量提供给真菌。这些真菌中有许多体型很大，寿命很长；有些个体可以占据几平方米的林地，寿命长达几十年。

直到最近，人们还不知道这些真菌是如何生存的，有多少不同的种类，也不知道它们生长在哪里。以前，了解多样性和分布情况的唯一方法是观察秋季出现在土壤表面的蘑菇，但并不是所有真菌都能在地面上繁殖。在英国自然环境研究委员会（NERC）的支持下，邱园与最大的环境监测网络之一 ICP Forests 合作，分析了欧洲森林中 13,000 个土壤样本中的 40,000 个根系。利用 DNA 技术，确定了 137 个地点中与山毛榉、云杉、松树和橡树共生的真菌。

研究的影响

利用分子生态学打开了土壤 “黑匣子”，首次将污染与菌根变化大规模地联系起来。这将在未来产生重大影响。2018 年，研究成果成为顶级综合科学期刊《Nature》上一篇长达 6 页的文章的主题。全球 30 家新闻机构对此进行了报道，并已被其他 34 份科学出版物引用。

高氮污染对外生菌根真菌物种多样性的不利影响在英国植物生命/植物链接组织 2017 年报告《We Need to Talk about Nitrogen》（我们需要谈谈氮）中被引用。这提高了公众和政府对氮污染挑战的认识，以及采取哪些措施可以减轻氮污染的危害。

研究背景

邱园的外生菌根真菌研究始于 2006 年，由马丁‧比达通多（Martin Bidartondo）与国家研究中心（NERC）博士生菲利普‧考克斯（Filipa Cox）共同发起。她首次对英国和德国的苏格兰松林及其菌根真菌进行了大规模分析。结果表明，氮污染对树木所依赖的真菌多样性产生了负面影响；少数真菌似乎在受干扰的条件下茁壮成长，但大多数真菌都败下阵来。在污染地区，树木的 “工具箱” 变得不够多样化。

这一发现促使劳拉‧马丁内斯‧苏兹（Laura Martinez-Suz）在邱园和伦敦帝国学院获得了玛丽‧居里奖学金。作为橡树菌根方面的专家，劳拉在本瑟姆‧莫克森信托基金的额外支持下，对欧洲九个国家的 22 个橡树监测地进行了采样。这项重大研究表明，氮污染也在更大的地理范围内对橡树林产生了负面影响。吃亏的真菌是那些能够在距离树根很远的地方采矿并利用有机氮源的真菌。

研究仍在继续，到2018年已经能够展示整个欧洲的外生菌根真菌的分布、丰度和树木寄主偏好。这项研究调查了外生菌根真菌的多样性和分布如何受到土壤因素、气候、空气污染和树木寄主特征的影响。在英国国家研究中心（NERC）的支持下，博士后研究员 Sietse van der Linde 继续与 ICP Forests 合作。

通过估算从意大利南部到芬兰北部、从西班牙到罗马尼亚等不同树种和地理区域的真菌多样性，对哪些菌根真菌生长在哪里以及生长的原因有了深入的了解。研究发现环境和树木特征可以解释大尺度的菌根多样性，作为主要生态系统评估工具的污染阈值需要大力下调，菌根的特异性和可塑性被低估了。

外生菌根的研究将继续影响人们对欧洲森林的认识。例如，2019 年 3 月，科学家提出了在 2020-2025 年第三次泛欧森林土壤调查背景下进行首次生物多样性评估的建议。未来，研究可能会促成首次大规模森林土壤生物监测。

外生菌根的广泛影响

外生菌根（ectomycorrhizae）是植物根系与真菌之间的共生关系，对植物科学、环境政策、森林监测和保护产生了重要影响。

植物科学：外生菌根研究揭示了植物与真菌之间的相互作用机制，为植物营养吸收、植物生长和植物适应环境提供了重要线索。研究发现外生菌根可以促进植物对水分和养分的吸收，提高植物免疫力，并影响植物根系结构。这些发现为农业和林业生产提供了重要的理论依据和实践指导。

环境政策：外生菌根研究为环境政策制定提供了科学依据。外生菌根能够促进土壤固碳、减少土壤侵蚀，并改善土壤质量。因此通过保护和恢复外生菌根共生系统，可以有效维护生态系统的稳定性和功能。外生菌根研究为制定生态保护政策和土地管理政策提供了重要的支持。

森林监测：外生菌根对森林生态系统的健康具有重要影响。通过研究外生菌根在不同植物群落和生态系统中的分布和功能，可以评估森林生态系统的健康状况，并帮助预测和防止森林病虫害的发生。外生菌根研究也为森林经营和管理提供了重要的参考，可以改善森林生态系统的可持续性和生物多样性。

森林保护：外生菌根在森林生态系统中的作用使其成为森林生态系统保护的重要因素。通过保护外生菌根共生系统，可以维护森林的生态功能和稳定性，促进森林的生物多样性和恢复能力。在面对森林退化、采伐和气候变化等威胁时，保护外生菌根共生系统尤为重要，对森林保护和可持续发展起到关键作用。

外生菌根研究对植物科学、环境政策、森林监测和保护产生了广泛的影响，为这些领域的理论和实践提供了重要支持，并为维护生态系统健康和可持续发展作出了贡献。

概览 At-a-glance

• 揭开土壤的秘密

树根怎么工作曾是一个谜，但事实证明，树根将其大部分 “采矿” 活动承包给了真菌--它们更擅长于此。

• 空气中的变化

2004 年，ICP Forests 开始关注树木与真菌之间的合作关系如何对大气中碳和氮含量的增加做出反应。在树木受到损害之前，真菌能否向人们发出变化的警告？

• 松树和橡树

对苏格兰松树及其真菌的研究始于英国，后来扩展到德国。研究发现，氮污染对树木所依赖的真菌多样性产生了负面影响。随后，在九个欧洲国家开展的橡树菌根研究也在更大范围内取得了类似的结果。

• 收集更多数据

到2018年，已经分析了欧洲森林中13000个土壤样本中的40000个根系，确定了在137个密集监测的森林地点中与山毛榉、云杉、松树和橡树共生的真菌。

• 传播信息 

2017 年（《植物生命》/《植物链接》）和 2018 年（《自然》）的重要出版物提高了人们对外生菌重要性以及外生菌及其树木所面临威胁的认识。

扩展阅读：

van der Linde, S. et al. (including Suz, L.M & Bidartondo, M.I.) (2018). Environment and host as large-scale controls of ectomycorrhizal fungi. Nature 558: 243–8.

Lilleskov, E. A., Kuyper, T. W., Bidartondo, M. I. & Hobbie, E. A. (2018). Atmospheric nitrogen deposition and forest mycorrhizal diversity: a review. Environmental Pollution 246: 148–62.