Changes in an Arbuscular Mycorrhizal Fungi Community Along an Environmental Gradient
DOI: 10.3390/plants9010052
Larissa et al.
Abstract環境逐漸變化是植物和相關生物（如叢枝菌根真菌(AMF)）配置的決定因素。本研究的目的是評估巴西東北部熱帶半乾旱地區，在形成乾燥森林、稀樹草原狀灌叢和潮溼山地森林的山頂地區在粘土含量下降情況下的AMF物種群落變化規律。通過田間和圈閉培養，共鑑定出AMF菌種80種，隸屬於25個屬，其中無梗黴屬(Acaulospora)和球囊黴屬(Glomus)最具代表性。巨孢子目的代表是粘粒含量較低的地點的指示物，在這些地點中表現出較高的豐度。粘粒含量較高和較低的樣地中，AMF的聚集度不同，構成物種結構的主要因素是碳、粘土和潛在酸度。土壤性質已被發現是這些微生物分布的決定因素，對不同植被類型的進一步研究有助於了解AMF物種的生態偏好。
Introduction
叢枝菌根真菌(AMF)以孢子和莖外菌絲的形式存在於土壤中，也存在於植物的根中，它們之間形成了互惠共生的關係。AMF通過植物接收生存所需的碳水化合物和脂質，作為交換，它們增加了宿主的水分和養分，其效率更高從而提高植物生產力。AMF在土壤中通過葉外菌絲的作用促進團聚體的形成，並形成更大更穩定的結構來改善土壤結構因此，它們與農業地區和自然環境相關。生態系統，通過減少侵蝕、恢復退化區域和在土壤中儲存碳，為土壤保護髮揮重要作用。AMF群落的組成可以受到不同的生物和非生物因素的影響，這些因素可以作為物種選擇的過濾器。AMF多樣性使我們能夠了解這些生物在每個地點的生態偏好。且共生植物群落的組成可能與AMF群落的結構有關。土壤養分的有效性和pH的化[響AMF群落。土壤是由不同類型的顆粒(液體、固體和氣態)組成的，其中固體部分的大小各不相同，分布在砂、粉土和粘土之間，其中砂的粒度最大，粘土的尺寸最小。孔隙的大小和間距決定了植物根系和土壤微生物(例如AMF)可以獲得多少水和營養資源，以及這些微生物的分布和活動。土壤結構由這些顆粒在微團聚體中的排列組成，這些微團聚體由土壤有機體及其產生的物質連接在一起，形成更大的團聚體。在土團聚體中，形成了多孔空間，根據顆粒類型的不同，可以保持不同數量的水和空氣；一般來說，粘質土壤比砂質土壤具有更大的保水能力。不同的土壤類型影響AMF群落。土壤質地影響AMF的多樣性和根據分類群的繁殖體類型。巨孢子科植物在沙質土壤中菌絲生長旺盛，菌絲生長速度快；在粘粒含量較高的土壤中，球孢菌科植物較多，這可能代表了物種對這些土壤條件的適應。土壤顆粒的大小可以改變AMF菌絲的分布和擴展，粗(沙)粒土壤中的菌絲生長比細顆粒土壤中的菌絲生長要高。砂質土壤由於孔隙度較大而有利於根的生長，從而刺激菌根的生長，而粘土的孔隙度較小，從而限制了根的生長。鑑於上述情況，我們期望通過土壤質地的變化來發現AMF種類的差異。這項工作的目的是了解AMF集合體在巴西東北部半乾旱-卡廷加生物群內形成類似稀樹草原灌叢、乾燥森林和潮溼山地森林的植被馬賽克的山頂地區粘土坡度土壤中的分布情況。我們直接從田間土壤中鑑定了AMF孢子，此外，為了更準確地鑑定物種，我們還從溫室的誘捕培養中鑑定了AMF孢子。我們推測，在粘粒含量較高的土壤中，AMF的物種豐富度和多樣性可能較低，這是因為AMF可用於繁殖的孔隙較少，從而最大限度地減少了在寄主根上繁殖的機會，從而減少了產孢量。
Materials and Methods
Study Area
採集地點：南布哥州Brejo da Madre de Deus自治市Serra da Boa Vista，海拔1195米，屬熱帶氣候，秋冬季多雨，按Kppen分類為『型』，年平均氣溫22°C，年平均降水量844毫米。該區土壤形成於元古代，由花崗巖和閃長巖組成。根據粘粒含量的遞增梯度選擇了三個區域：低粘粒含量(LCC)、中粘粒含量(MCC)和高粘粒含量(HCC)。這些地區的植物群落存在差異(圖5)：在LCC，沿著凸起的露出地面的巖石有灌木狀植被，類似於塞拉多生態系統的一種類型Cerrado(表5)。溼潤的高原地區存在於卡廷加中部，在那裡經常發現塞拉多和盧佩斯特拉田地的物種，形成了具有地方性代表性的特殊環境[53]。另一方面，HCC有樹生植被，地貌介於半乾旱生物群(Caatinga)和山地熱帶雨林植被之間。有些物種是在這些環境中共享的，因為根據海拔和地形的變化，過渡區是逐漸發生的[54](表5)。MCC也被認為是乾燥和潮溼環境之間的過渡區，但這種環境在採集時，可以從農業活動和大片空地中牧草的優勢可以觀察到這一點(表5)。巴西東北部的半乾旱地區，熱帶乾燥森林Caatinga植被為主；地貌特徵組成高度多樣化的生態系統，形成了乾燥的森林、灌木叢生的、潮溼的山地森林和塞拉多(巴西稀樹草原)的植被斑塊。Collection收集工作於2016年11月在旱期進行。每區設3塊30×30m的地塊，最小間距為50m。每塊樣地共採集5個土樣，相當於每區15個土樣。在距植物根際0~20 cm土層共採集了45個土樣。樣品儲存在塑膠袋中，並帶到UFPE的菌根實驗室進行AMF組裝的評估。樣品保存在室溫(約25°C)中，以降低土壤水分，防止孢子萌發。Trap Culture 部分土壤被用於誘捕培養，以獲得活孢子進行形態學鑑定，目的是更好地代表AMF組裝。成熟的真菌營養植物被用來允許田間物種定居和形成孢子。採集後1個月進行誘捕培養。從每個樣本中分離出500克土壤，並與500克洗砂混合。田地的土壤被沙子稀釋，以創造更充氣和營養更差的基質，為該物種的定居和產孢提供最佳條件。基質被存放在兩升的塑料花盆裡，在那裡播種玉米和高粱，並在溫室裡停留八個月，每天澆水。在此之後，植株受到20天的氫氣脅迫，以利於AMF孢子的形成。隨後，50克土壤被移走以進行物種評估。Spore Extraction and Morphological Identification 從田間的50克土壤中提取孢子，用溼篩法誘捕培養樣品，然後在水和蔗糖(50%)中離心。用PVLG(聚乙烯醇乳甘油)和PVLG+Melzer試劑(1：1)將孢子按形態分離並固定在玻片上，用光學顯微鏡(40×)進行分析。這些物種使用鑑定手冊[56]和最近的物種描述進行了鑑定。對各種的孢子進行計數，以孢子果為一個單位。 Soil Analyses 土壤樣本被風乾，粉碎，並通過2毫米的篩網。在土壤：水(1：2.5)溶液中測定了土壤的pH值和電導率。用醋酸鈣提取後測定潛在酸度(H+Al3+)。磷、鈉和鉀(P、Na和K+)用Mehlich I溶液提取，P用分光光度法測定，Na和K+用火焰光度法測定。用氯化鉀(KCl1M)提取鋁、鈣、鎂(Al3+、Ca2+、Mg2+)。Al~(3+)用滴定法測定，Ca~(2+)和Mg~(2+)用原子吸收光譜法測定。根據Tedesco等人的說法，總有機碳(TOC)是通過碳的溼式氧化法(Walkley-Black法)測定的。用吸管法進行粒度分析，並在105°C的烤箱中烘乾24h後測定溼度。Statistical Analyses 根據公式FO=Ji/k，FO=物種出現的頻率，Ji=分析區域內物種出現的樣本數，k=土壤樣本總數，估算了物種出現的頻率(FO)。香農物種多樣性指數按方程H『=Σ(Xi/XO)×log(Xi/XO)計算，為了評價不同地區AMF物種的相似性，採用了索倫森指數(Srensen index)[60]。為了估計在每個地區發現的物種數量，確定了一級刀切指數(刀刃1)。對各地區AMF孢子形成的種、屬、科、目和類型進行了指示種分析。分析還考慮了是否有任何分類群表示兩個或更多地點的組合。計算指標值(IndVal)，並通過蒙特卡羅檢驗得出各值的顯著性，並對每一類別進行分析；當分類單元呈現p<0.05且IndVal大於或等於25%時，被認為是指示物。利用各AMF物種的相對豐度數據和Srensen指數，通過非度量多維尺度(NMDS)分析了AMF物種在環境中的分布。利用土壤的理化性質，通過Envfit分析，驗證了這些因素與排序軸之間的相關性。多變量排列分析(PERMANOVA)被用來利用相對豐度來比較粘土梯度上的群落組成。利用有無物種的數據來驗證圈閉培養和田間培養在AMF種類組成上是否存在差異。對香農指數、豐富度、孢子密度、孢子形成屬、科、目和類型以及土壤屬性進行了正態性和異質性檢驗。香農指數和豐富度符合這些檢驗，然後進行方差分析和圖基檢驗的均數比較(p≤005)。由於其他分析不能滿足這些要求，所以進行了非參數Kruskal-Wallis檢驗(p≤0.0 5)。所有的分析和圖形都是使用R Studio3.5.1軟體開發的，使用以下函數和軟體包：其中，FO=Ji/k，FO=物種出現的頻率，Ji=物種在分析區域內出現的樣本數，k=土壤樣本的總數。優勢種(FO>50%)、極常見種(31%≤FO≤50%)、常見種(10%≤FO≤30%)和稀有種(FO<10%)。其中Xi為各物種的孢子數，XO為所有物種的孢子總數。對於物種積累曲線和豐富度估計器，使用vegan package 軟體包函數『specpool』和『specaccum』以及inext軟體包的『inext』函數；使用INDICATE CANES軟體包[65]的函數『multipatt』進行指示物種分析；使用vegan package 軟體包的函數『metaMDS』、『envfit』和『Adonis』完成NMDS、ENVFIT和PERMANOVA。採用單樣物種豐富度、相對豐富度(RA)、出現頻率(FO)、Shannon-Weiner多樣性(H)和Srensen指數等生態學指標評價AMF物種的分布。相對豐度是指每種的孢子數量與孢子總數的比值。
Results
Soil Properties
AMF Richness in the Field
AMF Richness and Assembly Composition in the Trap Cultures
Composition of the AMF Assembly from Field Samples
Conclusions
土壤質地和植被類型影響著叢枝菌根真菌種類的分布，科、屬、種間優勢度隨粘粒坡度的不同而不同。土壤粘粒、總有機碳和潛在酸度是影響叢枝菌根真菌聚集的主要土壤因子。粒含量最高的地區AMF豐富度降低，表明這種質地對AMF物種的限制較大。粘粒含量最低的地區有利於AMF孢子的繁殖。巨孢子目的代表對土壤質地的變化很敏感，隨著土壤中粘粒含量的增加，該目物種的豐度呈下降趨勢，表明該AMF類群物種的功能作用。特別是亞優勢和較稀有的AMF物種對環境變化敏感。一個單一的景觀中，即使在很短的距離內，AMF群落也可能出現很大的差異。