菌根真菌驱动的亚热带森林群落生态位分化和物种共存机制

High diversity is a striking feature of almost all tropical and subtropical forests, which provide numerous important ecosystem functions, and contribute to both the resistance and resilience of communities in response to global change. Although several mechanisms have been proposed to explain the origin and maintenance of (sub)tropical forest diversity, recent theoretical work suggest that resource partitioning for soil phosphorus (P) is likely to be one of the main contributors to plant diversity and coexistence. However, we currently lack vital experimental evidence to test this hypothesis, which requires understanding the relationships among mycorrhizal plant and fungal diversity, and soil P fractions in these systems, and how these associations relate to P utilisation. In this proposal, we will therefore determine the network of interactions among plants and mycorrhizal fungi in the field, and show using manipulation experiments whether this is related to edaphic factors, and in particular the composition and structure of the soil P pool. This aim requires coupling a comprehensive and unique dataset of spatial analyses of plant diversity with new analyses of mycorrhizal fungal diversity and soil nutrient pools in subtropical evergreen forests, and novel manipulation experiments. This project will show whether, despite overall nutrient limitation, the diversity of a mineral fraction in the soil is a driver of plant hyper-diversity. This will make a step change in our understanding of the role of soil biodiversity in niche separation.

现有大部分针对“植物-土壤反馈”作用的研究通常只考虑了土壤病原菌等天敌所导致的负密度制约效应，而认为菌根真菌等与寄主植物互利共生的微生物不利于生物多样性的维持。热带亚热带森林生态系统具有较高的物种多样性，但该区域的冠层优势种普遍都是与外生菌根真菌共生的树种，同时土壤磷的缺乏是植物生长和森林生产力的最主要限制性元素。本项目中，我们提出不同类型菌根真菌驱动的资源分割和物种共存假说，以亚热带常绿阔叶林为研究对象，采用野外调查、野外控制实验和室内盆栽实验相结合的方法，探讨外生菌根真菌和丛枝菌根真菌如何促进寄主植物对不同形态土壤磷元素的利用和分割，进而实现不同树种的生态位分化。本项目将“植物-土壤反馈”作用与对土壤限制性营养元素的差异化吸收相结合，阐述土壤微生物多样性如何促进寄主植物的功能多样性，有望实现对土壤微生物与植物相互作用中正负反馈机制的有机结合，进一步完善森林群落生态位分化和物种共存理论。

生物多样性的形成和维持机制，一直是生物多样性理论研究的核心问题之一，也是生物多样性保护及持续利用中必不可少的理论基础和科学依据。植物与土壤微生物之间的相互作用被广泛证明能够影响森林群落物种共存，但现有大部分针对“植物-土壤反馈”作用的研究通常只考虑了土壤病原菌等天敌所导致的负密度制约效应，而认为菌根真菌等与寄主植物互利共生的微生物不利于生物多样性的维持。热带亚热带森林生态系统具有较高的物种多样性，但该区域的冠层优势种普遍都是与外生菌根真菌共生的树种，同时华南地区土壤磷的缺乏是植物生长和森林生产力的最主要限制性元素。本项目中，我们提出不同类型菌根真菌驱动的资源分割和物种共存假说，以广东黑石顶自然保护区的南亚热带常绿阔叶林为主要研究对象，结合了野外群落学调查、野外幼苗控制实验和温室盆栽实验相结合的方式，揭示了菌根真菌与寄主植物间具有一定专一性的互利共生关系对不同种幼苗存活和生长的显著影响，进而调节了幼苗生长存活和群落动态；通过对菌根网络和幼苗间相互作用的精细控制，分析了不同菌根类型树种对土壤中限制性磷元素的分割和利用，阐明了森林群落生态位分化的内在机制，揭示了土壤微生物作用下的群落多样性-生产力关系。本项目将“植物-土壤反馈”作用与对土壤限制性营养元素的差异化吸收相结合，阐明了土壤微生物多样性如何促进寄主植物的功能多样性，实现了对土壤微生物与植物相互作用中正负反馈机制的有机结合，进一步完善了森林群落物种共存理论。相关研究成果分别发表于Nature Communications、Science Advances、Oecologia、Journal of Plant Ecology等国内外主流杂志，研究成果得到国内外同行的一致认可，曾被国际菌根协会评选为本领域十大突出研究进展。项目负责人和第一参与人分别于2019年和2021年获得国家优秀青年科学基金项目的资助，项目负责人2020年获得英国皇家学会“牛顿高级学者”项目的资助。