Environmental dependency of ectomycorrhizal fungi as soil organic matter oxidizers

IF 8.1 1区生物学 Q1 PLANT SCIENCES New Phytologist Pub Date : 2024-10-17 DOI:10.1111/nph.20205

Qiuyu Chen, Ilya Strashnov, Bart van Dongen, David Johnson, Filipa Cox

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外生菌根真菌作为土壤有机物氧化剂的环境依赖性

引言森林是一个重要的碳（C）库，其中大部分储存在地下，主要以土壤有机质（SOM）的形式存在（Pan 等人，2011 年；Schmidt 等人，2011 年）。森林中 SOM 的分解是全球碳和氮循环不可或缺的一部分，是气候调节、生物量生产和为森林物种提供栖息地等多种重要森林生态系统服务的基础（Deluca & Boisvenue, 2012）。在温带和北方森林中，越来越多的证据表明，外生菌根（ECM）真菌参与了 SOM 的分解（Phillips 等人，2014 年；Lindahl 等人，2021 年），主要是为了将氮捕获并固定在其组织中，然后与植物宿主交换光合作用产生的碳（Lindahl & Tunlid，2015 年；Baldrian，2017 年）。然而，我们对不同 ECM 真菌物种和环境背景下 SOM 分解方式差异的了解还处于起步阶段。ECM真菌起源于多个系统发育群，它们分解SOM的能力在不同进化系之间表现出相当大的差异（Kohler等人，2015年；Pellitier & Zak，2018年）。例如，Amanita muscaria 是在褐腐嗜渍生物的一个支系中进化而来的，它经历了基因损失，导致分解 SOM 的能力下降（Kohler 等人，2015 年）。相比之下，白腐菌（Hebeloma cylindrosporum）的祖先使用第二类真菌过氧化物酶氧化 SOM，它保留了三个用于分解 SOM 的锰过氧化物酶基因（Kohler 等人，2015 年）。此外，Cortinarius glaucopus 的基因组中含有 11 种过氧化物酶，这一数量与在众多白腐木分解者中观察到的数量相当，表明它们可能对森林生态系统中 SOM 的分解做出了重要贡献（Bödeker 等人，2009 年；Miyauchi 等人，2020 年）。鉴于 ECM 真菌固有的功能异质性，其群落组成的变化很可能会对森林生态系统中的碳和氮循环产生独特而深远的影响（Sterkenburg 等人，2018 年；Lindahl 等人，2021 年）。ECM 真菌群落组成的一个重要驱动因素是无机氮的可用性（Zak 等人，2019 年），无机氮也可以作为 ECM 介导的 SOM 分解的调节因子（Bogar 等人，2021 年；Argiroff 等人，2022 年）。最近的研究结果表明，在无机氮含量有限的环境中生长的 ECM 真菌群落具有较强的分解 SOM 的基因组能力（Mayer 等人，2023 年）。这些群落通常以 Cortinarius 和 Hebeloma 等属的普遍存在为特征（Pellitier & Zak, 2021）。相比之下，无机氮浓度较高的土壤中的 ECM 群落通常以 Scleroderma 和 Russula 等属为主，这些属的 SOM 降解能力较弱（van der Linde 等人，2018 年）。其他研究表明，木质素衍生的 SOM 和土壤 C 含量与无机氮可用性之间存在明显的正相关关系（Argiroff 等人，2022 年）。这种关联可归因于配备过氧化物酶的 ECM 真菌的存在，随着无机氮供应量的增加，过氧化物酶的出现也会减少（Clemmensen 等人，2015 年；Argiroff 等人，2022 年）。在自然森林生态系统中，土壤氮可用性、ECM 真菌群落组成和土壤固碳之间的相互作用已得到证实，但这些关系的复杂机制仍未得到解决。除了土壤化学成分的变化，ECM 真菌之间的种间相互作用对整个 ECM 群落的结构产生了重大影响，从而影响了 SOM 的动态变化（Kennedy，2010 年；Fernandez & Kennedy，2016 年）。研究表明，ECM 真菌与自由生活的分解者之间对氮资源的竞争会减缓整个土壤的碳循环，增加土壤的碳储存（Averill & Hawkes, 2016; Fernandez 等人，2020 年）。然而，ECM 真菌物种之间的相互作用如何改变碳循环速率仍不清楚，尽管该真菌群内的种间资源竞争已被广泛证实（Koide 等人，2005 年；Kennedy，2010 年；Smith 等人，2023 年），并被认为是影响其群落组成（Kennedy，2010 年）和结构（Pickles 等人，2012 年）的关键决定因素。ECM 物种之间的种间相互作用可能会导致类似的抑制作用，或者会产生促进作用，即那些拥有更强大分解策略的物种会从难分解的土壤化合物中释放出养分，使较差的分解者得以存活，进而加速土壤碳循环（Tiunov & Scheu, 2005; Lindahl & Tunlid, 2015）。

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New Phytologist 生物-植物科学

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期刊介绍： New Phytologist is an international electronic journal published 24 times a year. It is owned by the New Phytologist Foundation, a non-profit-making charitable organization dedicated to promoting plant science. The journal publishes excellent, novel, rigorous, and timely research and scholarship in plant science and its applications. The articles cover topics in five sections: Physiology & Development, Environment, Interaction, Evolution, and Transformative Plant Biotechnology. These sections encompass intracellular processes, global environmental change, and encourage cross-disciplinary approaches. The journal recognizes the use of techniques from molecular and cell biology, functional genomics, modeling, and system-based approaches in plant science. Abstracting and Indexing Information for New Phytologist includes Academic Search, AgBiotech News & Information, Agroforestry Abstracts, Biochemistry & Biophysics Citation Index, Botanical Pesticides, CAB Abstracts®, Environment Index, Global Health, and Plant Breeding Abstracts, and others.