在森林地板的缠绕根部及其周围，真菌和细菌与树木一起生长，在广阔的全球市场中交换碳的营养。一项旨在绘制最丰富的这些共生关系的新努力 - 涉及超过110万个森林遗址和28,000种树种 - 揭示了决定不同类型的共生体何处繁盛的因素。这项工作可以帮助科学家了解共生伙伴关系如何构建世界森林以及它们如何受到气候变暖的影响。
斯坦福大学的研究人员与200多名科学家一起工作，制作了这些地图，于5月16日在“自然”杂志上发表。从工作中，他们揭示了一个新的生物学规则，该团队在共生研究先驱David Read先生之后命名为Read's Rule。
在他们如何应用这项研究的一个例子中，该小组使用他们的地图来预测如果碳排放继续有增无减，到2070年共生会如何变化。这种情况导致树种的生物量减少10%，这与一种主要在较凉爽地区发现的真菌有关。研究人员告诫说，这种损失可能会导致大气中更多的碳，因为这些真菌往往会增加土壤中储存的碳量。
斯坦福大学的博士后研究员，该论文的第一作者Brian Steidinger说：“只有很多不同的共生类型，我们表明他们遵守明确的规则。”“我们的模型预测了世界森林共生状态的巨大变化 - 这些变化可能会影响你的孙子孙女将要生活的气候。”
三个共生
对大多数观察者来说，这些微生物和树木之间的跨界合作是高度多样化的。研究人员专注于绘制三种最常见的共生类型：丛枝菌根真菌，外生菌根真菌和固氮细菌。这些类型中的每一种都包含数千种与不同树种形成独特伙伴关系的真菌或细菌。
三十年前，Read根据他们提供的营养素手工绘制了他认为不同的共生真菌可能存在的地图。外生菌根真菌直接从有机物质中提取树木 - 如腐烂的叶子 - 因此，他提出，在分解缓慢且叶凋落物丰富的较凉爽地区，它们会更成功。相反，他认为丛枝菌根真菌将在热带地区占主导地位，树木的生长受到土壤磷的限制。其他人的研究表明，固氮细菌在低温下似乎生长不良。
然而，测试阅读的想法必须等待，因为证据需要从全球不同地区的大量树木中收集数据。全球森林生物多样性倡议(GFBI)提供了这一信息，该倡议调查了来自各大洲(南极洲除外)和地球生态系统的森林，林地和稀树草原。
该小组从该数据库中提供了3100万棵树的位置以及关于共生真菌或细菌最常与这些物种相关联的信息，并将其作为一种学习算法，确定了气候，土壤化学，植被和地形等不同变量如何影响每个共生的流行。由此，他们发现固氮细菌可能受温度和土壤酸度的限制，而两种类型的真菌共生受影响分解率的变量 - 环境中有机物分解的速率 - 的影响很大 - 如温度和湿度。
“这些都是非常强大的全球模式，与其他基本的全球生物多样性模式一样引人注目，”该研究的高级作者，人文科学学院生物学助理教授卡比尔皮伊说。“但在这些有关数据之前，对这些模式的了解仅限于菌根或氮固定生态学专家，尽管它对广泛的生态学家，进化生物学家和地球科学家都很重要。”
尽管这项研究支持了Read的假设 - 在较温暖的森林中发现丛枝菌根真菌和在较冷的森林中发现外生菌根真菌 - 但是，基于影响分解的变量的逐渐变化，生物群落从一种共生类型到另一种共生类型的转变比预期更加突然。 。这支持了另一个假设，研究人员认为：外生菌根真菌会改变其局部环境，进一步降低分解速度。
这种反馈循环可能有助于解释为什么研究人员在模拟外生菌根真菌减少10%时，如果碳排放量持续到2070年，将会发生什么情况。气候变暖可能迫使外生菌根真菌超过气候临界点，超出了他们所能达到的环境范围。改变他们的喜好。
映射协作
这张地图背后的数据代表来自70多个国家的真实树木，由Purdue大学的Jingjing Liang和苏黎世联邦理工学院的Tom Crowther领导，他们在数百名讲不同语言，研究不同生态系统和应对不同挑战的研究人员之间进行合作。
“数据集中有超过110万个森林地块，其中每一个都是由地面人员测量的。在许多情况下，作为这些测量的一部分，它们基本上给了树一个拥抱，”Steidinger说。“那么多的努力 - 徒步，汗水，蜱虫，漫长的日子 - 就在那张地图上。”
这项研究的地图将免费提供，希望帮助其他科学家在他们的工作中包括树木共生体。在未来，研究人员打算将他们的工作扩展到森林之外，并继续努力了解气候变化如何影响生态系统。
本文的其他共同作者包括斯坦福大学的Michael Van Nuland以及牛津大学，明尼苏达大学，西悉尼大学(澳大利亚)，瓦赫宁根大学和研究所(荷兰)，瓦赫宁根环境研究大学(莱利达大学)的合作者。西班牙)，加泰罗尼亚森林科学技术中心，普渡大学，联合国粮食及农业组织，CIRAD-蒙彼利埃大学(法国)，北京林业大学，苏黎世联邦理工学院和GFBI联盟的其他成员。Peay还是斯坦福Bio-X的成员，也是SLAC国家加速器实验室光子科学理事会的助理教授。Liang还隶属于北京林业大学。
这项工作是通过全球森林生物多样性数据库提供资金的，该数据库代表了200多名独立调查员及其公共和私人资助机构的工作(详见“自然文件中的补充确认书”)。