В запутанных корнях лесной подстилки и вокруг нее грибы и бактерии растут вместе с деревьями, обменивая питательные вещества на углерод на огромном глобальном рынке. Новая попытка нанести на карту наиболее распространенные из этих симбиотических отношений, включающие более 1,1 миллиона лесных участков и 28 000 видов деревьев, выявила факторы, определяющие, где будут процветать различные типы симбионтов. Работа может помочь ученым понять, как симбиотические партнерства формируют мировые леса и как на них может повлиять потепление климата.
Исследователи Стэнфордского университета работали вместе с командой из более чем 200 ученых над созданием этих карт, опубликованных 16 мая в журнале Nature. В ходе работы они выявили новое биологическое правило, которое команда назвала правилом Рида в честь пионера исследований симбиоза сэра Дэвида Рида.
В одном из примеров того, как они могли бы применить это исследование, группа использовала свою карту, чтобы предсказать, как симбиозы могут измениться к 2070 году, если выбросы углерода не уменьшатся. Этот сценарий привел к 10-процентному сокращению биомассы видов деревьев, которые связаны с типом грибов, встречающихся в основном в более прохладных регионах. Исследователи предупредили, что такая потеря может привести к увеличению количества углерода в атмосфере, потому что эти грибы имеют тенденцию увеличивать количество углерода, хранящегося в почве.
«Существует так много разных симбиотических типов, и мы показываем, что они подчиняются четким правилам», - сказал Брайан Стейдингер, научный сотрудник Стэнфордского университета и ведущий автор статьи. «Наши модели предсказывают массовые изменения в симбиотическом состоянии мировых лесов - изменения, которые могут повлиять на климат, в котором будут жить ваши внуки».
Три симбиоза
Скрытые от большинства наблюдателей, эти межцарственные взаимодействия между микробами и деревьями очень разнообразны. Исследователи сосредоточились на картировании трех наиболее распространенных типов симбиозов: арбускулярных микоризных грибов, эктомикоризных грибов и азотфиксирующих бактерий. Каждый из этих типов включает в себя тысячи видов грибов или бактерий, которые образуют уникальные партнерские отношения с различными видами деревьев.
30 лет назад Рид нарисовал от руки карты мест, где, по его мнению, могут обитать различные симбиотические грибы, основываясь на питательных веществах, которые они обеспечивают. Эктомикоризные грибы питают деревья азотом непосредственно из органического вещества - например, из гниющих листьев - поэтому, предположил он, они будут более успешными в более прохладных местах, где разложение идет медленно и много опавших листьев. Напротив, он думал, что арбускулярные микоризные грибы будут доминировать в тропиках, где рост деревьев ограничен фосфором почвы. Другие исследования показали, что азотфиксирующие бактерии плохо растут при низких температурах.
Тестирование идей Рида пришлось отложить, потому что для доказательства требовался сбор данных с большого количества деревьев в разных частях земного шара. Эта информация стала доступна благодаря Глобальной инициативе по биоразнообразию лесов (GFBI), в рамках которой были обследованы леса, лесные массивы и саванны на всех континентах (кроме Антарктиды) и экосистемы на Земле..
Команда ввела местоположение 31 миллиона деревьев из этой базы данных вместе с информацией о том, какие симбиотические грибы или бактерии чаще всего ассоциируются с этими видами, в алгоритм обучения, который определил, как различные переменные, такие как климат, химический состав почвы, растительность и Топография, по-видимому, влияет на распространенность каждого симбиоза. Исходя из этого, они обнаружили, что азотфиксирующие бактерии, вероятно, ограничены температурой и кислотностью почвы, тогда как на два типа грибковых симбиозов сильно влияют переменные, влияющие на скорость разложения - скорость, с которой органическое вещество разрушается в окружающей среде - например, температура и влажность.
«Это невероятно сильные глобальные модели, столь же поразительные, как и другие фундаментальные модели глобального биоразнообразия», - сказал Кабир Пей, доцент биологии Школы гуманитарных и естественных наук и старший автор исследования.«Но до появления этих достоверных данных знание этих паттернов было доступно только специалистам в области экологии микоризы или азотфиксаторов, хотя это важно для широкого круга экологов, эволюционных биологов и ученых, изучающих Землю».
Хотя исследование подтвердило гипотезу Рида о нахождении арбускулярных микоризных грибов в более теплых лесах и эктомикоризных грибов в более холодных лесах, переходы между биомами от одного симбиотического типа к другому были гораздо более резкими, чем ожидалось, исходя из постепенных изменений переменных. которые влияют на разложение. Исследователи подумали, что это подтверждает другую гипотезу: эктомикоризные грибы изменяют свою локальную среду, чтобы еще больше снизить скорость разложения.
Эта петля обратной связи может помочь объяснить, почему исследователи увидели 10-процентное сокращение эктомикоризных грибов, когда они смоделировали, что произойдет, если выбросы углерода не уменьшатся до 2070 года. диапазон окружающей среды, которую они могут изменить по своему вкусу.
Сотрудничество по составлению карт
Данные, лежащие в основе этой карты, представляют собой настоящие деревья из более чем 70 стран и результат сотрудничества под руководством Цзинцзин Лян из Университета Пердью и Тома Кроутера из Швейцарской высшей технической школы Цюриха между сотнями исследователей, которые говорят на разных языках, изучают разные экосистемы и сталкиваются с различными проблемами. вызовы.
"В наборе данных более 1,1 миллиона лесных участков, и каждый из них был измерен человеком на земле. Во многих случаях в рамках этих измерений они, по сути, обнимали дерево", - сказал Стайдингер. «Столько усилий - походы, пот, галочки, долгие дни - в этой карте».
Карты из этого исследования будут размещены в свободном доступе в надежде помочь другим ученым включить древесных симбионтов в свою работу. В будущем исследователи намерены расширить свою работу за пределы лесов и продолжить попытки понять, как изменение климата влияет на экосистемы.
Дополнительными соавторами этого документа были Майкл Ван Нуланд из Стэнфорда и сотрудники Оксфордского университета, Университета Миннесоты, Университета Западного Сиднея (Австралия), Вагенингенского университета и исследований (Нидерланды), Вагенингенского исследования окружающей среды., Университет Лериды (Испания), Центр лесных наук и технологий Каталонии, Университет Пердью, Продовольственная и сельскохозяйственная организация Объединенных Наций, CIRAD-Университет Монпелье (Франция), Пекинский университет лесного хозяйства, ETH Zürich и другие члены консорциум GFBI. Пи также является членом Stanford Bio-X и доцентом Управления фотонной науки Национальной ускорительной лаборатории SLAC. Лян также сотрудничает с Пекинским университетом лесного хозяйства.