橫斷山作為全球重要的生物多樣性熱點(diǎn)地區(qū)之一，是眾多高山和亞高山植物的分化中心，區(qū)域內(nèi)大量近緣物種常分布于同一局域群落中，孕育出獨(dú)特且復(fù)雜的生態(tài)系統(tǒng)，但這些物種長期穩(wěn)定共存背后的生態(tài)與進(jìn)化機(jī)制仍不清楚。限制相似性假說(limiting similarity)認(rèn)為近緣物種能夠通過在關(guān)鍵生態(tài)位上的分化達(dá)到穩(wěn)定共存。然而，以往的研究更多地聚焦于更易觀測的地上植物本身，對地下微生物如何影響物種共存機(jī)制的研究不足。在自然生態(tài)系統(tǒng)中，植物通常能夠與共生真菌形成互利共生的菌根結(jié)構(gòu)，影響植物體與養(yǎng)分吸收等重要生態(tài)過程，但共生真菌在促進(jìn)近緣物種共存中的作用仍不清楚。杜鵑花類菌根(Ericoid mycorrhiza，ErM)特指杜鵑花屬(Rhododendron)、歐石楠屬(Calluna)和越橘屬(Vaccinium)等杜鵑花科(Ericaceae)植物與真菌形成的專性共生結(jié)構(gòu)，相比于叢枝菌根(arbuscular mycorrhiza,AM)和外生菌根(ectomycorrhiza,EcM)結(jié)構(gòu)，其具有更高的宿主特異性。杜鵑花屬是橫斷山植物區(qū)系中的第一大屬，物種多樣性豐富，又是ErM類菌根植物的典型代表，其在局域尺度內(nèi)常形成多個近緣種共存的群落格局，是探究山地生態(tài)系統(tǒng)中菌根真菌如何影響近緣物種共存的理想對象。然而，我們對ErM菌根真菌如何介導(dǎo)杜鵑花屬植物物種共存與維持等問題的認(rèn)識十分有限，亟待回答。

中國科學(xué)院昆明植物研究所高連明研究組和李德銖研究組，依托高黎貢山南段建立的海拔梯度森林群落樣帶(GMT)，長期開展群落構(gòu)建和生物多樣性-生態(tài)系統(tǒng)功能關(guān)系研究。在前期研究工作的基礎(chǔ)上(如Luo et al. 2023, Journal of Biogeography; Ma et al. 2024, Science of the Total Environment; Luo et al. 2024, New Phytologist)，研究團(tuán)隊最近以GMT樣帶中不同海拔梯度分布的20種杜鵑花屬植物為研究對象，整合系統(tǒng)發(fā)育信息、功能性狀、菌根真菌群落數(shù)據(jù)以及環(huán)境數(shù)據(jù)，運(yùn)用群落與集合群落分析方法，深入探討了植物地上部分生態(tài)位分化與地下部分真菌群落分化如何影響近緣物種的共存(圖1)。研究結(jié)果表明，海拔和宿主對ErM真菌的α多樣性均有顯著影響(圖2)，宿主植物特性是ErM真菌群落組成差異的主導(dǎo)因素。群落生態(tài)學(xué)分析表明，杜鵑花屬植物在不同海拔梯度群落中往往表現(xiàn)出系統(tǒng)發(fā)育和功能性狀上趨同，表明親緣關(guān)系相近的物種偏好相似的生態(tài)位。然而，即便在同一群落中，不同杜鵑花屬物種根系內(nèi)的ErM真菌群落仍表現(xiàn)出明顯的差異，這種差異在高海拔地區(qū)尤為顯著。更值得關(guān)注的是，隨著海拔升高，杜鵑花屬物種與菌根真菌之間的互作網(wǎng)絡(luò)表現(xiàn)出更高的專一性(圖3)，也即杜鵑花屬植物與ErM真菌的互作關(guān)系更加特化。這表明，在復(fù)雜的山地環(huán)境中，植物—菌根真菌的穩(wěn)定共生關(guān)系可能是維持近緣物種共存的重要生態(tài)機(jī)制，在將來生物多樣性保護(hù)中需要同時對宿主植物和及其共生的菌根真菌予以關(guān)注。該研究首次揭示了生物多樣性熱點(diǎn)地區(qū)的杜鵑花屬群落中根系真菌群落組成與互作網(wǎng)絡(luò)特化程度的驅(qū)動因素，明晰了菌根真菌在近緣物種共存與多樣性維持中的重要作用。這一研究發(fā)現(xiàn)不僅拓展了人們對植物多樣性維持機(jī)制的理解，也為生物多樣性熱點(diǎn)地區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)提供了重要的科學(xué)支撐。

目前，相關(guān)成果以Ericoid mycorrhizal fungal metacommunity facilitates closely related Rhododendron species coexistence為題，發(fā)表于植物學(xué)國際主流期刊 New Phytologist。昆明植物所羅亞皇副研究員和馬梁梁博士為論文第一作者，高連明研究員、李德銖教授(現(xiàn)山東農(nóng)業(yè)大學(xué))和劉杰研究員為共同通訊作者。加拿大多倫多大學(xué) Marc W. Cadotte 教授、德國德累斯頓工業(yè)大學(xué) Sebastian Seibold 教授和鄒佳運(yùn)博士、景德鎮(zhèn)學(xué)院葉林江博士、昆明植物所已畢業(yè)的博士生譚少林、鄭偉、宋潔，以及在讀博士研究生莫智瓊和碩士研究生郁彬、李彩云和錢永輝等參與了此項(xiàng)研究。該研究得到國家自然科學(xué)基金(32471621，32071541)、中國科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)專項(xiàng)(B類)(XDB31000000)、中國科學(xué)院青年創(chuàng)新促進(jìn)會(2021392)、云南省“興滇英才”青年人才計劃(XDYC-QNRC-2022-0026)、科技部基礎(chǔ)資源調(diào)查專項(xiàng)(2021FY100200)、中國科學(xué)院“從0到1”原始創(chuàng)新項(xiàng)目(ZDBS-LY-7001)和“西部之光”人才計劃的資助。在項(xiàng)目實(shí)施過程中，研究團(tuán)隊得到了高黎貢山國家級自然保護(hù)區(qū)保山管護(hù)局及其隆陽分局和騰沖分局的長期支持。

圖1 山地生態(tài)系統(tǒng)中杜鵑花屬植物的共存(a)、其局域群落過程 (b) 以及與ErM真菌共生的集合群落過程 (c–d) 的科學(xué)假設(shè)與預(yù)測

圖2 杜鵑花屬物種的系統(tǒng)發(fā)育關(guān)系(a)以及它們在海拔梯度群落中的分布(b)及杜鵑花類菌根真菌的α多樣性(c-d)

圖3 沿海拔梯度的杜鵑花屬植物–杜鵑花類菌根真菌互作網(wǎng)絡(luò) (a–c)，以及網(wǎng)絡(luò)特化程度 (d) 與寄主特化程度 (e) 的變化