中大新聞網訊（通訊員王韋韜）植物與土壤微生物間的相互作用是影響植物共存的關鍵因素。雖然已有大量研究在配對物種共存的框架下探討了土壤微生物的重要作用，但其對多物種共存動態的影響仍不明確，阻礙了我們深入理解土壤微生物在塑造植物群落結構和功能中的角色。
近日，中山大學生態學院儲誠進教授團隊在生態學經典期刊Ecology發表了題為“Soil microbial influences over coexistence potential in multispecies plant communities in a subtropical forest”的研究論文。該研究通過溫室種植實驗，首次細致評估了土壤微生物如何影響亞熱帶森林中多植物物種的共存。
在國家自然科學基金等項目的支持下，該研究共種植了來自我國南亞熱帶森林黑石頂自然保護區的五種樹木的540株幼苗，其中兩種樹木能與叢枝菌根(arbuscular mycorrhizal, AM)真菌形成共生關系，三種樹木能與外生菌根(ectomycorrhizal, EcM)真菌共生。實驗將樹苗分為兩個處理組，分別使用滅菌土壤和接種微生物的土壤進行種植，接種的微生物提取自黑石頂森林內同種樹木下的土壤。
該研究旨在解答土壤微生物如何影響多物種群落中的物種共存、土壤微生物是否主要通過改變結構化生態位或適合度差異來調節多物種的共存、土壤微生物對植物物種共存的影響能否通過植物功能性狀來解釋等科學問題。
研究采用貝葉斯框架下的Ricker模型來擬合植物的生長數據，分別估算兩個處理組中各樹種的內稟增長率、種內相互作用系數以及種間相互作用系數。研究結果表明（圖1），土壤微生物總體上降低了五個樹種中四個物種的內稟增長率。對于AM樹種，種內相互作用主要表現為競爭，接種微生物后，種內競爭強度有所減弱。相比之下，EcM樹種的種內相互作用多表現為促進效應。接種微生物后，某些物種的種內相互作用從競爭轉變為促進。在種間相互作用方面，大多數情況下，配對物種在滅菌處理組中的相互作用強度高于接種處理組。此外，土壤微生物同樣能改變種間相互作用的類型，使其從競爭轉化為促進。
圖1 使用貝葉斯建模估算的內稟增長率(λ)和相互作用系數的后驗分布。y軸藍色刻度為種內相互作用系數，紫色刻度為種間相互作用系數。
在獲得內稟增長率和相互作用系數矩陣后，利用結構化共存方法估算了兩物種至五物種群落的結構化生態位差異(Ω)和結構化適合度差異(θ)，以評估土壤微生物對多物種共存的影響。結果顯示（圖2），土壤微生物顯著影響多物種群落的結構化適合度差異，而對結構化生態位差異的影響較弱。具體而言，土壤微生物顯著增加了所有植物群落的結構化適合度差異。例如，在兩物種群落中，土壤微生物使群落的平均結構化適合度差異增加了55.8%；在五物種群落中，這一增幅達到了76.4%。
圖2 兩至五種樹種組成的植物群落的結構化生態位差異(Ω, A)和適合度差異(θ, B)箱線圖，綠色為接種處理組，黃色為滅菌處理組。
進一步分析顯示，所選取樹木的根系功能性狀與結構化共存指標顯著相關(圖3)。在接種組中，根平均直徑(RAD)和根長度(RL)與結構化生態位差異呈顯著正相關，但在滅菌組中，這種相關性并不明顯。由于結構化生態位差異越大，多物種共存的可能性越高，性狀與結構化生態位差異的顯著相關性為功能性狀與物種共存的關系提供了更為直接的視角。
圖3 配對物種的性狀差異與結構化生態位差異(Ω)和適合度差異(θ)的相關性雷達圖，顯著相關性以粗體標注(顯著性水平為0.05)。(A) Ω與接種處理組的性狀；(B) θ與接種處理組的性狀；(C) Ω與滅菌處理組的性狀；(D) θ與滅菌處理組的性狀。
該研究表明土壤微生物對多物種植物群落的共存具有顯著影響，特別是通過改變配對植物物種間的相互作用，從而影響群落內的結構化適合度差異。研究采用結構化共存方法對多物種群落的共存動態進行了評估，有效填補了該領域實驗研究的空白。盡管該研究提供了土壤微生物在調節適合度差異上比生態位差異更具影響力的證據，但其在物種豐富的自然群落中的普適性仍需進一步探索。
中山大學生態學院博士后王韋韜及吳航玉(碩士，已畢業)為論文的共同第一作者，儲誠進教授為論文通訊作者。碩士研究生吳婷婷、羅梓菁（已畢業，現于加拿大阿爾伯塔大學攻讀博士學位）、林維、劉翰倫(已畢業，現為墨爾本大學博士后)，特聘副研究員肖俊麗，李遠智副教授，王酉石副教授，以及加利福尼亞大學洛杉磯分校助理教授Chuliang Song和路易斯安那州立大學教授Gaurav Kandlikar為其他共同作者。
論文鏈接：https://esajournals.onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/ecy.4415
