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【生态学】陈迪马团队在生态系统功能稳定性维持机制方向取得重大进展
作者:刘圣恩 点击数:时间:2022-07-08 10:54:38

生物多样性与生态系统功能稳定性之间的关系是当代生态学领域的重大科学问题之一。过去研究均关注地上植物多样性在生态系统功能稳定性上的重要作用及其维持机制,而地下生物类群尤其是真菌多样性与生态系统稳定性之间的关系仍然不够清晰。相较于土壤其他生物类群,真菌功能类群和生态策略更为多样化,这些不同功能类群如腐生真菌,病原真菌和菌根真菌等在植物生产力维持、有机碳的积累和转化等关键生态过程和功能上发挥着重要且不可替代的作用。因此,在全球尺度上探讨真菌不同功能类群多样性与生产力稳定性之间的关系对通过调节土壤生物多样性来维持未来生态系统功能稳定,降低全球气候变化对生态系统结构和功能产生的消极影响具有重要的意义。

针对这一重要的科学问题,我校陈迪马团队师资博士后刘圣恩联合西班牙塞维利亚自然资源和农业生物研究所中科院沈阳应用生态研究所西班牙科技部农业科学研究所爱沙尼亚塔尔图大学西班牙阿利坎特大学瑞士苏黎世大学澳大利亚西悉尼大学安徽农业大学等全球15个研究机构开展了三条独立的全球尺度的土壤调查,覆盖全球673个不同地点,包括森林,沙漠,草地等10种不同陆地生态系统,利用二代和三代测序定量了土壤真菌不同功能类群的多样性。在此基础上深入探讨真菌多样性与2001-2018年间对应地点的植物生产力稳定性之间的联系,结果显示:独立于植物,真菌多样性在植物生产力稳定性上也发挥着重要的作用,并且这种作用与真菌功能类群的生态策略密切相关。具体表现为:土壤腐生真菌多样性越高的系统,植物生产力的稳定性越高(图1),这是因为腐生真菌在土壤顽固性有机碳分解中发挥着重要作用,有利于土壤关键养分元素的生物地球化学循环,进而有利于维持植物生产力的稳定。相反,植物真菌病原体多样性越高的系统,植物生产力在时间尺度上越容易出现较大的波动,这一现象在全球草地生态系统中尤为明显(图2)。

结合团队前期发现的相较于其他类群,全球变暖更容易导致植物真菌病原体的大爆发,可以预测未来气候变化引起的真菌病原体的增长所导致的植物生产力的波动是未来亟需解决的重要生态学问题,因为这关系到世界粮食生产的稳定和安全。

图1土壤腐生真菌,病原真菌和菌根真菌多样性与生态系统稳定性之间的关系

Fig. 1 | Relationships between soil fungal diversity and ecosystem stability. Fitted linearrelationships between ecosystem stability and the richness ofselected functional groups of fungi in global surveys 1 (a–c; n = 235 ecosystems), 2 (d–f; n = 351 ecosystems) and 3 (g–i; n = 87 ecosystems). Significance levels of each predictor are *P < 0.05, **P < 0.01,***P < 0.001. Grey shading indicates the 95% confidence interval. Soil saprobes represent soil fungal decomposers.

图2 地理、气候、土壤、植物和真菌功能类群多样性对生态系统稳定性的驱动机制

Figure2 Drivers of ecosystem stability. Biotic and abiotic predictors of ecosystem stability in global surveys 1 (a; n = 235 ecosystems), 2 (b; n = 351ecosystems) and 3 (c; n = 87 ecosystems). Multiple ranking regression reveals the relative importance of the most important predictors of ecosystemstability.

在此基础上该团队结合2001-2018年之间的气候变化情况,进一步定量植物生产力在极端干旱当年的抵抗力稳定性和极端干旱次年的恢复力稳定性。发现土壤腐生真菌之所以能维持植物生产力稳定性是因为:腐生真菌能够提高生态系统对干旱胁迫的抵抗力,而病原真菌爆发所导致的植物生产力年际间较大的波动,主要是病原真菌爆发不但会削弱生态系统对干旱的抵抗力,也会延迟生态系统在干旱事件发生后的恢复能力。此外与植物根系产生共生关系的菌根真菌,在生态系统发生极端干旱事件后,也能为植物群落提供及时的养分补充,进而促进植物群落生产力的快速恢复(图3),这一现象在全球森林生态系统中尤为明显。

图3 土壤真菌功能类群多样性对极端干旱发生当年生态系统抵抗力(Resistance)和干旱发生过后生态系统恢复力稳定性(Resilience)之间的关系

Figure.3 Relationships between soil fungal diversity and ecosystem resistance and resilience to drought events. Fungal diversity effects on ecosystemresistance (RS) and resilience (RL) in drought events in global surveys 1 (a–d; n = 235 ecosystems), 2 (e–h; n = 351 ecosystems) and 3 (i–l; n = 87ecosystems).

相关研究成果于2022年5月9日以Phylotype diversity within soil fungal functional groups drives ecosystem stability为题刊发在生态学顶级期刊Nature Ecology & Evolution(IF5= 16.1)上https://www.nature.com/articles/s41559-022-01756-5,并在同一天另一顶级期刊Science也对相关研究成果进行了宣传报道https://www.science.org/content/article/lowly-mushrooms-may-be-key-ecosystem-survival-warming-world

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我校生物与制药学院师资博士后刘圣恩为论文第一作者,西班牙塞维利亚自然资源和农业生物研究所Manuel Delgado-Baquerizo博士为论文通讯作者,陈迪马教授为论文的共同作者,三峡大学为第一署名单位。该研究成果是第一篇以三峡大学为第一署名单位的Nature大子刊。

刘圣恩博士毕业于中国科学院大学,于2020年10月加入到生物与制药学院,得到了学校博士后创新人才计划特别资助,在学院领导的大力支持下先后获批了国家自然科学基金青年项目、中国博士后科学基金面上项目、楚天学子人才计划。此外在对应领域取得了一系列高水平成果,其他相关成果分别以共同第一作者发表在生态学或地学著名期刊Soil Biology and Biochemistry(T2级),Geoderma(A级)和Communications Earth & Environment(Nature新子刊)等期刊上。

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0038071721003643?via%3Dihub

https://www.nature.com/articles/s43247-021-00324-2


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