土壤病原微生物对西南亚高山森林恢复演替进程的影响机理

Soil pathogenic microorganisms play an important role in forest population dynamics and the maintenance of plant species diversity. However, the community structures of pathogenic microorganisms and their impacts on forest restoration and succession processes remain unclear. This project examines the representative grass, scrub, broadleaf tree and conifer tree species in different successional stages of subalpine forests in southwestern China. Field survey, in situ seedling observation, and plant-soil feedback pot experiments are performed. 16S rRNA gene/ITS high-throughput sequencing, metagenome sequencing, bioinformatics analysis, isothermal titration microcalorimetry, and fluorescence stereomicroscope are utilized in this study. The objectives are to: (1) analyze the influencing mechanisms of soil pathogen community structures on aboveground plant diversity of different successional stages; (2) test the applicability of pathogen-mediated negative density-dependent hypothesis and Janzen-Connell hypothesis to the forest succession processes; and (3) interpret the feedbacks of pathogenic microbial compositions and metabolic activities on plant growth, survival and species succession. This work will enhance our further understanding of the microbial driving mechanisms in forest succession processes. It will also provide a theoretical basis for the restoration and reconstruction of degraded forests in southwestern China.

土壤病原微生物在调节森林植物种群动态、维持物种多样性方面扮演着重要角色，但森林恢复演替进程中病原微生物的群落结构特征及其影响机理仍然十分匮乏。本项目拟选取西南亚高山森林恢复演替阶段中的代表性草本、灌木、阔叶树、针叶树种为研究对象，结合野外样地调查、幼苗原位监测、植物–土壤反馈盆栽实验等方法，运用16S rRNA基因/ITS区域高通量测序、宏基因组测序、生物信息学分析、等温滴定微量热、体视荧光显微镜等技术手段，试图：（1）分析各演替阶段土壤病原微生物群落结构对地上植物多样性的影响机理；（2）验证病原微生物介导的负密度制约效应和Janzen-Connell假说是否适用于森林演替过程；（3）揭示病原微生物组成与代谢活性对植物生长存活及物种演替的反馈作用。该研究有助于加深森林生态系统演替过程地下微生物驱动机制的认知，同时为西南亚高山退化森林恢复重建工作提供理论支撑。

土壤病原微生物能显著影响植物种群动态、群落构建与物种共存。以往研究主要关注森林顶级群落中的病原菌，然而森林演替不同阶段幼苗更新中病原微生物的影响机理仍不清楚，同时前人忽略了病原/非病原微生物组分对植物生长的反馈作用。为此，本研究选取西南亚高山森林演替阶段中的优势草本、灌木、阔叶树、针叶树种，结合样地土壤调查、微生物接种、植物-土壤反馈盆栽实验，重点开展土壤病原菌、菌根真菌、腐生菌对演替各阶段幼苗生长的反馈机理与贡献程度。主要进展如下：1）明确了森林演替阶段的土壤病原微生物群落特征。相对丰度较高的土壤病原真菌和细菌主要有土赤壳属Ilyonectria、赤霉属Gibberella、节杆菌属Arthrobacter、假单胞菌属Pseudomonas。其中演替前期土壤病原真菌丰富度较高，灌木土壤病原细菌相对丰度偏低；2）揭示了不同演替阶段土壤微生物类群对优势树种的影响。演替中期和后期土壤微生物促进针叶树苗生长，而前期土壤对乔木幼苗的反馈效应为负作用。前中期土壤积累大量病原真菌和腐生真菌，后期土壤外生菌根真菌相对丰度最高；3）探明了建群种幼苗对根系侵染微生物类群的响应特征。演替前期草本土壤微生物显著抑制树苗的根系侵染率，灌木和乔木土壤微生物有利于外生菌根真菌定殖，土壤微生物类群通过调节根系侵染率、真菌群落组成和探测类型来影响针叶树苗生长；4）查明了土壤微生物和非生物因素对不同幼苗的反馈驱动机制。速生阔叶树种将更多养分资源分配于地上生长且对病原菌敏感，而慢生针叶树种通过提高根系生物量分配抵御病原菌侵害，促生细菌可通过加强病原菌防御能力、提高养分有效性等方式促进乔木生长。综上所述，病原微生物在演替前中期土壤中丰度较高且显著抑制树苗生长，而后期土壤的菌根真菌、促生细菌、养分有效性可缓解病原菌的负反馈效应，且与不同植物生活史策略、病原菌宿主特异性紧密关联。本研究可为研发抗病原菌剂、提升退化森林正向演替进程、优化森林管理措施提供理论支撑。