蘭州大學科研人員在植物羣落和病原真菌相互作用領域取得系列進展

日期: 2021-03-11 閲讀: 來源: 關鍵詞:

以植物病原菌為代表的高營養級生物類羣能夠通過下行效應對植物羣落產生影響;而植物羣落結構也可能會影響高營養級生物類羣。闡明高寒草甸植物羣落與病原真菌之間的相互作用關係,不僅有助於理清植物和真菌的羣落構建與物種共存機制,同時能夠為發展草地資源管理政策提供理論依據。經過深入研究,蘭州大學生態學創新研究院科研人員在植物羣落和病原真菌相互作用領域相繼取得以下科研進展。

研究進展1:放牧對不同生活史致病菌所引起植物病害的差異性影響

放牧是天然草原主要的利用方式之一,但放牧究竟會增加還是降低植物病害,之前一直沒有定論。病原菌具有不同的生活史類型,如活體營養型、半活體營養型和死體營養型等。由於上述生活史特徵,死體營養型病原菌的繁殖體可以大量存在於植物枯枝落葉和土壤中。因此,將病原菌生活史類型納入考量,有助於理清放牧對植物病害的影響機理。

科研人員綜合運用野外調查(利用西南民族大學若爾蓋高寒濕地國家野外科學觀測研究站的犛牛放牧平台)和數據整合分析(共包含63項案例研究),並結合控制實驗證實:1)放牧能夠降低體活體營養型病原菌所引起的鏽病和白粉病等植物病害,但是對死體營養型病原菌所引起的植物病害並無顯著影響(圖1)。2)放牧可能通過在啃食過程中移除活體營養型病原菌的繁殖體從而達到控制傳播源的目的,因為其繁殖體較少存在於枯枝落葉和土壤中;而在啃食過程中產生的傷口可能會導致死體營養型病原菌所引起病害的持續傳播。

該研究揭示出植物、病原菌和草食動物三者之間較為複雜的相互作用關係,從機理上初步回答了放牧如何影響植物病害這一科學問題,研究成果對提高放牧情景下植物病害的預測能力具有重要理論意義。相關成果以“Contrasting effects of mammal grazing on foliar fungal diseases: patterns and potential mechanisms”為題發表在《NewPhytologist》上。

論文鏈接://nph.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/nph.17324

圖1 基於野外放牧實驗調查(A)和數據整合分析(B)證實放牧對不同生活史病原菌引起的病害產生差異性影響

 

研究進展2:葉片病原真菌侵染對內生真菌羣落構建機制的影響

內生真菌在植物組織內部或細胞間隙中度過全部或部分生活週期,並可以通過代謝產物提高植物對病蟲害的抵抗力。明確葉片病原真菌侵染如何影響植物內生真菌羣落的構建機制,是理清植物內生真菌與宿主之間依存關係和預測內生真菌羣落結構與功能的重要切入點。

青藏高原東北部的高寒草甸因其具有較高的植物和內生真菌多樣性,成為探究內生真菌羣落構建機制的理想研究體系。基於此,研究人員依託甘南草原生態系統國家野外科學觀測研究站(阿孜站),選取該地25種常見植物,分別採集其健康狀態和病原真菌侵染狀態的葉片樣品。而後,研究人員整合真菌的ITS1基因序列和植物系統發育信息,並結合內生真菌羣落的α和β多樣性,從宏觀和微觀兩個角度共同探討葉片內生真菌羣落的構建機制(圖2)。

圖2 基於內生真菌α和β多樣性推斷其羣落構建機制的模式框架圖

研究結果表明:1)親緣關係較近的植物中往往攜帶有親緣關係更近的內生真菌。2)內生真菌羣落的系統發育結構表現為聚集式樣,宿主的環境篩選作用可能是影響內生真菌羣落構建的主要驅動力。3)病原真菌侵染過程能夠加劇宿主的環境篩選作用,進而導致染病葉片中內生真菌羣落系統發育結構的進一步聚集。本研究初步理清了高寒草甸植物葉片內生真菌羣落的構建機制,揭示出宿主植物的環境篩選作用在其中起到重要作用,為構建統一的羣落生態學理論框架提供了重要案例支撐。相關成果以“Host plant environmental filtering drives foliar fungal community assembly in symptomatic leaves”為題發表在《Oecologia》上。

論文鏈接://link.springer.com/article/10.1007/s00442-021-04849-3

 

研究進展3:施肥條件下植物多樣性對土壤病原真菌豐富度和相對多度的影響

世界範圍內,自然生態系統中氮素輸入量的加劇(包括氮沉降和氮肥施用)所導致的植物物種喪失引起了人類的較大關注。除此之外,氮素還可以通過影響病原真菌的多樣性和多度進而制約或者促進植物多樣性。在自然生態系統中,我們對氮添加如何通過改變植物羣落結構和土壤理化指標影響植物病原真菌仍知之甚少。為此,科研人員依託甘南草原生態系統國家野外科學觀測研究站,基於7 年的氮素梯度添加野外實驗,使用Miseq 平台,針對土壤真菌的ITS1 基因進行高通量測序,以評估氮添加對高寒草甸土壤中植物病原真菌豐富度和相對多度的影響,並闡明氮添加通過不同途徑影響病原真菌的潛在機制。

研究發現:1)氮添加通過改變土壤理化指標增加植物病原真菌的相對多度。2)在排除掉氮添加對土壤中植物病原真菌豐富度的潛在影響後,地上植物物種豐富度與土壤中植物病原真菌豐富度之間仍存在顯著的正相關性。3)高寒草甸土壤中植物病原真菌豐富度和相對多度受到不同機制的調控(圖3)。此項研究闡明瞭氮素輸入所引起植物病原真菌豐富度和相對多度變化的內在機制,併為進一步理解氮輸入可能會對生態系統功能和服務產生的影響提供了關鍵切入點。相關成果以“Plant diversity promotes soil fungal pathogen richness under fertilization in an alpine meadow”為題發表在《Journalof Plant Ecology》上。

論文鏈接://doi.org/10.1093/jpe/rtaa099

圖3 基於結構方程模型解析植物羣落和土壤因子對病原真菌的影響

 

研究綜述4:系統性論述宿主生物多樣性與病原體多度關係領域的研究進展

在上述研究的基礎上,為了系統性論述宿主生物多樣性與病原體之間的潛在關係,科研人員綜述了關於生物多樣性與傳染性疾病(包括動物源傳染病和植物侵染性病害)關係的研究進展(圖4),以及該領域的熱點研究問題,指出了相關研究伴隨的爭議和批判,並提出與稀釋效應有關的若干今後主要研究方向。

該綜述以“生物多樣性與傳染性疾病的關係:進展、挑戰與展望”為題發表在《生物多樣性》雜誌《二十一世紀的理論生態學》專輯(2020年第11期)上,研究成果為宿主生物多樣性與病原體多度之間的關係研究提供了詳細解讀,指出該領域的觀點碰撞,並基於當前的研究現狀指明瞭今後該領域可能的研究前沿。

論文鏈接://www.biodiversity-science.net/CN/10.17520/biods.2020218

圖4 宿主多樣性與病原體多度之間的潛在關係

以上系列研究回答了放牧、施肥等活動干擾對地上和地下病原真菌的影響,初步闡明瞭病原真菌侵染對葉片內生真菌羣落構建的影響,提高了我們對自然生態系統中植物病害發生和後果的預測能力,為制定草原利用和管理措施,開發草原生物災害預警系統提供了重要的理論支撐。

上述成果由蘭州大學草地農業生態系統國家重點實驗室/生態學創新研究院劉向課題組完成。該系列研究得到周淑榮教授、劉木博士、華南師範大學賈璞博士和西南民族大學澤讓東科博士的大力幫助和支持。除此之外,復旦大學吳紀華教授,多倫多大學MarcW. Cadotte教授,華東師範大學斯幸峯研究員,上海健康醫學院陳立範博士,浙江師範大學王雲泉博士,南京農業大學朱晨博士,復旦大學畢業生張莉博士和陳飛,博士生黃夢嬌、肖瑤、陸雅雯,蘭州大學碩士生王星星、張鵬,本科生林子淵等,也分別參與了上述研究工作。蘭州大學“甘南草原生態系統國家野外科學觀測研究站”和西南民族大學“若爾蓋高寒濕地國家野外科學觀測研究站”為該系列研究的野外實驗提供了支撐。上述工作主要受到國家自然科學基金,蘭州大學中央高校基本科研業務費和蘭州大學“雙一流”引導專項科研啓動經費等項目的資助。

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編輯:侯牧晨
責任編輯:許文豔

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