Forskere kortlægger symbiotiske forhold mellem træer og mikrober verden over

I og omkring skovbundens sammenfiltrede rødder, svampe og bakterier vokser med træer, udveksling af næringsstoffer til kulstof i en enorm, global markedsplads. En ny indsats for at kortlægge de mest udbredte af disse symbiotiske forhold - involverer mere end 1,1 millioner skovområder og 28, 000 træarter - har afsløret faktorer, der bestemmer, hvor forskellige typer symbionter vil blomstre. Arbejdet kunne hjælpe forskere med at forstå, hvordan symbiotiske partnerskaber strukturerer verdens skove, og hvordan de kan blive påvirket af et opvarmende klima.

Forskere ved Stanford University arbejdede sammen med et team på over 200 forskere for at generere disse kort, udgivet 16. maj i Natur . Fra arbejdet, de afslørede en ny biologisk regel, som teamet kaldte Read's Rule efter pioner inden for symbioseforskning Sir David Read.

I et eksempel på, hvordan de kunne anvende denne forskning, gruppen brugte deres kort til at forudsige, hvordan symbioser kan ændre sig i 2070, hvis kulstofemissionerne fortsætter uformindsket. Dette scenario resulterede i en reduktion på 10 procent i biomassen af ​​træarter, der associeres med en type svampe, der primært findes i køligere områder. Forskerne advarede om, at et sådant tab kunne føre til mere kulstof i atmosfæren, fordi disse svampe har en tendens til at øge mængden af ​​kulstof, der er lagret i jorden.

"Der er kun så mange forskellige symbiotiske typer, og vi viser, at de overholder klare regler, "sagde Brian Steidinger, en postdoktor ved Stanford og hovedforfatter af papiret. "Vores modeller forudsiger massive ændringer i den symbiotiske tilstand i verdens skove - ændringer, der kan påvirke den slags klima, dine børnebørn kommer til at leve i."

Tre symbioser

Skjult for de fleste observatører, disse samarbejder mellem kongeriger mellem mikrober og træer er meget forskellige. Forskerne fokuserede på at kortlægge tre af de mest almindelige typer af symbioser:arbuskulære mykorrhizale svampe, ectomycorrhizal svampe og nitrogenfikserende bakterier. Hver af disse typer omfatter tusindvis af svampearter eller bakterier, der danner unikke partnerskaber med forskellige træarter.

For tredive år siden, Læs tegnet kort for hånd over, hvor han troede, at forskellige symbiotiske svampe kunne opholde sig, baseret på de næringsstoffer, de giver. Ectomycorrhizal svampe fodrer træer nitrogen direkte fra organisk stof - som forfaldne blade - så, han friede, de ville have større succes på køligere steder, hvor nedbrydningen er langsom, og bladaffald er rigeligt. I modsætning, han troede, at arbuskulære mykorrhizale svampe ville dominere i troperne, hvor træets vækst er begrænset af jordfosfor. Forskning fra andre har tilføjet, at nitrogenfikserende bakterier ser ud til at vokse dårligt ved kølige temperaturer.

Test af Reads ideer måtte vente, imidlertid, fordi bevis krævede at indsamle data fra et stort antal træer i forskellige dele af kloden. Disse oplysninger blev tilgængelige med Global Forest Biodiversity Initiative (GFBI), som undersøgte skove, skove og savanner fra alle kontinenter (undtagen Antarktis) og økosystem på Jorden.

Holdet fodrede placeringen af ​​31 millioner træer fra denne database sammen med oplysninger om, hvilke symbiotiske svampe eller bakterier der oftest forbinder med disse arter til en læringsalgoritme, der bestemte, hvordan forskellige variabler såsom klima, jordkemi, vegetation og topografi synes at påvirke forekomsten af ​​hver symbiose. Fra dette, de fandt ud af, at nitrogenfikserende bakterier sandsynligvis er begrænset af temperatur og jordsyre, der henviser til, at de to typer svampesymbioser er stærkt påvirket af variabler, der påvirker nedbrydningshastighederne - den hastighed, hvormed organisk stof nedbrydes i miljøet - såsom temperatur og fugtighed.

"Det er utroligt stærke globale mønstre, lige så slående som andre fundamentale globale biodiversitetsmønstre derude, "sagde Kabir Peay, adjunkt i biologi på Humanistisk -Videnskabelige Skole og seniorforfatter af undersøgelsen. "Men før disse hårde data, kendskab til disse mønstre var begrænset til eksperter i mykorrhizal eller nitrogenfikserende økologi, selvom det er vigtigt for en lang række økologer, evolutionære biologer og jordforskere. "

Selvom forskningen understøttede Read's hypotese - at finde arbuskulære mykorrhizale svampe i varmere skove og ectomycorrhizal -svampe i koldere skove - var overgangene på tværs af biomer fra en symbiotisk type til en anden mere abrupt end forventet, baseret på de gradvise ændringer i variabler, der påvirker nedbrydning. Dette understøtter en anden hypotese, forskerne mente:at ektomykorrhizale svampe ændrer deres lokale miljø for yderligere at reducere nedbrydningshastigheder.

Denne tilbagekoblingssløjfe kan hjælpe med at forklare, hvorfor forskerne så reduktionen på 10 procent i ektomykorrhizale svampe, da de simulerede, hvad der ville ske, hvis kulstofemissionerne fortsætter uformindsket til 2070. Opvarmningstemperaturer kan tvinge ektomykorrhizale svampe over et klimatisk vendepunkt, ud over de forskellige miljøer, de kan ændre efter deres smag.

Kortlægning af samarbejde

Dataene bag dette kort repræsenterer ægte træer fra mere end 70 lande og samarbejde, ledet af Jingjing Liang fra Purdue University og Tom Crowther fra ETH Zürich, mellem hundredvis af forskere, der taler forskellige sprog, studere forskellige økosystemer og konfrontere forskellige udfordringer.

"Der er mere end 1,1 millioner skovparceller i datasættet, og hver af dem blev målt af en person på jorden. I mange tilfælde, som en del af disse målinger, de gav hovedsageligt træet et kram, "sagde Steidinger." Så megen indsats - stigninger, sved, flåter, lange dage - er på det kort. "

Kortene fra denne undersøgelse vil blive gjort frit tilgængelige, i håb om at hjælpe andre forskere med at inkludere tresymbioner i deres arbejde. I fremtiden, forskerne har til hensigt at udvide deres arbejde ud over skovene og fortsat forsøge at forstå, hvordan klimaforandringer påvirker økosystemer.