Микориза и изменение климата - Википедия - Mycorrhizae and changing climate

Микориза и изменение климата относится к воздействию изменения климата на микориза, а грибок который образует эндосимбиотический отношения между с сосудистое растение-хозяин[1] колонизируя его корни, и эффекты, вызванные изменение климата. Изменение климата - это любое длительное воздействие погоды или температуры. Важно отметить, что хорошим индикатором изменения климата является глобальное потепление, хотя эти два не аналогичны[2]. Однако температура играет очень важную роль во всех экосистемах на Земле, особенно в тех, где в почвенной биоте много микоризы.

Микоризы - один из самых распространенных симбиозов на планете, поскольку они образуют растительно-грибковое взаимодействие почти с восьмидесяти процентами всех наземных растений.[3]. Резидентная микориза выигрывает от доли сахаров и углерода, производимых во время фотосинтеза, в то время как растение эффективно получает доступ к воде и другим питательным веществам, таким как азот и фосфор, которые имеют решающее значение для его здоровья.[4]. Этот симбиоз стал настолько полезным для наземные растения что некоторые полностью зависят от отношений, чтобы поддерживать себя в соответствующей среде. Грибы необходимы для планеты, так как большинство экосистем, особенно в Арктический, заполнены растениями, которые выживают с помощью микоризы. Из-за их важности для продуктивной экосистемы понимание этого гриба и его симбиозов в настоящее время является активной областью научных исследований.

История микоризы

Первая волна - триас

Микоризы и связанные с ними симбиозы существуют уже миллионы лет - начиная с Триасовый период (200–250 миллионов лет назад) и даже старше.[5] Хотя в хронологии микоризы все еще есть много пробелов, самые старые известные формы грибной группы могут быть датированы 450 миллионами лет назад или старше, когда первая волна эукариотический грибки возникли вместе с эволюцией ранних наземных растений.[5] Есть несколько более поздних линий передачи, которые состояли только из арбускулярная микориза до раннего Меловой период (75–140 миллионов лет назад), когда клады начали резко разветвляться на различные формы микоризы, большинство из которых специализировались бы на определенных нишах, средах, климатах и ​​растениях.[5] Однако эти линии отличаются от линий, от которых произошли другие основные типы микоризы. Существуют основные микоризы, которые произошли от других симбиозов, таких как Аскомикота, (который разделяет тип с Базидиомицеты, еще одна крупная микориза), которая в конечном итоге превратилась в эрикоидную микоризу или Эктомикориза.[6] Некоторые из производных семейств являются более сложными из-за специализированных или многофункциональных корней, которых раньше не было. Пангея. Климат среды, который занимали эти группы микориз (которые развивались на скалистых поверхностях), был засушливым, что не позволяло разнообразить жизнь из-за наличия фиксированных ниш.[6] Обратной стороной изучения истории большинства симбиозов грибов и растений является то, что обычно грибы не очень хорошо сохраняются, поэтому найти окаменелости грибов более древних периодов не только сложно, но и получить только конкретную информацию о грибах и окружающей среде в который он разработал.[6]

Вторая волна - меловой период

Это разнообразие растений и микоризы привело к их второй волне эволюции в меловом периоде, которая представила наряду с арбускулярной микоризой три новых типа микоризы: орхидея микориза, эрикоидная микориза, и эктомикориза.[5] Таксономическая диверсификация всех растений с микоризным симбиозом и без него показывает, что 71% составляют арбускулярные микоризы, 10% - Орхидные 2% составляют эктомикоризы и 1,4% - эрикоидные микоризы.[5] Определяющей чертой этой волны эволюции была согласованность типов корней (или, другими словами, сходство, разделяемое между типами корней, хотя характерно различное для отдельных семейств или даже видов) внутри семейств, что позволило создать соответствующий симбиоз с растениями из период.[7] Окружающая среда этого периода имела радиацию покрытосеменные, демонстрируя иную репродуктивную стратегию, чем раньше, и предоставляя отличные морфологические признаки для большинства разновидностей растений по сравнению с предыдущими периодами и до K-Pg вымирание.[8] Климат, который позволил такое развитие событий, можно охарактеризовать как относительно теплый, приводящий к более высокому уровню моря и мелководным внутренним водоемам.[8] Эти области были заняты в основном рептилиями, которые питались животными, и насекомыми, которые питались растениями, что свидетельствует о более сложной экосистеме, чем та, которая существовала в Триасовый период и дальнейшее продвижение эволюции растений и микоризы посредством вездесущего естественного отбора. Существует множество свидетельств растений, подтверждающих большинство этих выводов; однако информация, необходимая для формирования гипотез о микоризах того времени, а также о других родственных симбиозах, невероятно ограничена, поскольку окаменелости таких особей очень редки.

Третья волна - палеоген

Третья волна эволюционной диверсификации началась в Период палеогена (24–75 миллионов лет назад) и тесно связан с изменением климата и почвенных условий.[5] Условия, вызвавшие эти изменения, в основном связаны с увеличением количества нарушенных ниш и окружающей среды, а также с потеплением глобальных экосистем, вызывающим сдвиг в типах микориз у растений в более сложных почвах.[8] Эта волна состоит из линий растений с морфологией корней, часто несовместимой с ранее упомянутыми семействами второй волны.[5] Они будут называться «новые сложные корневые клады» из-за сложностей, которые могут возникнуть в специфических средах между эктомикоризными и немикоризными растениями.[5] Хотя и вторая, и третья волны связаны с изменением климата, определяющей чертой третьей волны является повышенная изменчивость внутри семейств и сложности в ассоциациях растений и грибов.[8] Эти интервалы диверсификации были вызваны изначально жарким и влажным климатом, но со временем становились все прохладнее и суше, что вынудило генетический дрейф.[8]

Эти три волны помогают разделить и упорядочить большую часть временной шкалы микоризы, не затрагивая конкретные роды и виды. Несмотря на то, что важно упомянуть о различиях этих типов грибов и их различиях, не менее важно также признать разнообразие их аналогов растений. Есть ряд известных немикоризных растений, которые видятся в меловой период - хотя было распространение среди микоризных растений, было также распространение среди немикоризных растений. Все это помогает составить четкую картину распределения растений и их симбиотических грибов на протяжении истории Земли.

Влияние климата на растения и микоризы

Изменение климата может иметь различные последствия для многочисленных видов, обитающих в экосистеме. Это включает растения и их симбиотические отношения. Как известно, ожидается, что любая конкретная микориза будет присутствовать и в изобилии в любой из своих соответствующих ниш, пока окружающая среда может поддерживать ее рост. Однако устойчивые условия окружающей среды становятся редкостью из-за последствий потепления и изменения климата. Важно отметить, что отношения между сосудистым растением-хозяином и микоризами являются мутуалистический. Это означает, что глобальные изменения окружающей среды в первую очередь затрагивают растение-хозяин, которое, в свою очередь, очень похожим образом влияет на микоризы. По сути, если растение-хозяин испытывает экологический стресс, он передается микоризе, что может иметь негативные последствия.[9].

Арбускулярная микориза, наиболее распространенная форма микоризы, которая является широко распространенным «важным компонентом почвенной биоты в естественных и сельскохозяйственных экосистемах»[10], используются в качестве ориентира для оценки воздействия изменения климата на микоризы в следующих разделах.

Повышение температуры и избыток CO2

Температура на земном шаре неуклонно растет из-за деятельности человека, где большая часть вины может быть возложена на антропогенное производство загрязняющих газов. Наиболее распространенным газом, который производится как искусственным, так и естественным способом, является CO.2, и его сильная коллективная концентрация в атмосфере улавливает большое количество тепла под атмосферой.[11] Жара влияет на грибы по-разному в зависимости от того, к какому роду, виду или штамму они принадлежат; в то время как одни грибы страдают при определенных температурах, другие процветают в них.[11] Это зависит от того, в каких средах чаще всего встречаются грибы. Однако температура также играет жизненно важную роль в доступности воды и питательных веществ, поскольку в более жарком климате будет легче усваивать питательные вещества, но также им угрожают денатурация белков.[11] Если почва высушена чрезмерным нагревом, гифы микоризы, а также корневые волоски растений будут испытывать гораздо большие трудности с получением воды и питательных веществ для поддержания их взаимодействия.[11]

Хотя температура может играть ключевую роль в росте грибов и растений, в равной степени существует зависимость от количества CO.2 что поглощается. Количество CO2 внутри почвы отличается от того количества, которое находится в воздухе; наличие этого СО2 является жизненно важной частью многих циклов растений (таких как фотосинтез), и из-за свойств симбиоза растений и грибов, происходящего в корнях, также затрагиваются микоризы. Когда растения подвергаются воздействию более высоких уровней CO2, они склонны пользоваться этим и расти быстрее.[11] Это также увеличивает выделение углерода корням растения, а не побегам растения, что благоприятно сказывается на симбиотической микоризе.[11] Увеличивается объем пространства, которое могут занимать корни, и, таким образом, цикл торговли между растением и грибами увеличивается, показывая потенциал для дальнейшего роста и используя имеющиеся ресурсы до тех пор, пока обратная связь не станет нейтральной.[11] Выделенный CO2 то, что обеспечивается микоризами, также позволяет им расти с повышенной скоростью на более высоких уровнях, а это означает, что гифы грибов также будут расширяться, однако прямая польза от них, кажется, прекращается в соответствии с одной микоризой.[11] «Несмотря на значительное влияние на уровень углеводов в корнях, в целом не было значительного влияния на микоризную колонизацию».[11] Это означает, что, хотя растение может вырасти в размерах, микоризы будут увеличиваться пропорционально росту растения. Другими словами, рост микоризы вызван ростом растения; обратное не может быть доказано, даже если эти факторы окружающей среды влияют как на микоризу, так и на растения. CO2 не следует рассматривать как исключительно полезные: его основной вклад заключается в фотосинтетических процессах, но растение полагается на него, в то время как необходимые сахара, необходимые микоризе, могут быть обеспечены только растением; они не могут быть извлечены непосредственно из почвы.[11] Эффекты CO2 наносит вред окружающей среде в долгосрочной перспективе, поскольку вносит существенный вклад в проблему парниковые газы и потеря территории, на которой произрастают растения и соответствующие им микоризы.

Микориза в арктических регионах

Хотя это может показаться бесплодным ландшафтом, на самом деле Арктика является домом для огромных популяций животных, растений и грибов. Растения в этих регионах зависят от своих взаимоотношений с микоризами, и без них они не могли бы жить так хорошо, как в таких суровых условиях. В арктических регионах растениям труднее получить азот и воду, поскольку земля заморожена, что делает микоризы жизненно важными для их физического состояния, здоровья и роста.[12]

Было признано, что изменение климата сильнее влияет на арктические регионы, чем на неарктические регионы, и этот процесс известен как Арктическое усиление. Кажется, есть больше петли положительной обратной связи чем отрицательный происходящие в Арктике в результате этого, что вызывает более быстрое потепление и дальнейшие непредсказуемые изменения, которые повлияют на его экосистемы.[13]. Поскольку микориза, как правило, чувствует себя лучше при более низких температурах, потепление может пагубно сказаться на общем здоровье колоний.[14].

Поскольку эти экосистемы предлагают почву с редкими и легкодоступными питательными веществами, для кустарников и других сосудистых растений критически важно получать такие питательные вещества посредством симбиоза с микоризой.[15]. Если эти отношения подвергаются слишком большому стрессу, может возникнуть петля положительной обратной связи, вызывающая сокращение популяций наземных растений и грибов из-за более суровых и потенциально более засушливых сред.[16].

Биогеографическое перемещение растений и микоризы

«Может показаться, что грибы имеют ограниченное географическое распространение, но расселение само по себе не играет роли в определении такого распространения».[17] Ограничения животных и растений отличаются от ограничений грибов. Грибы имеют тенденцию расти там, где уже есть растения и, вероятно, животные, потому что многие из них являются симбиотическими по своей природе и для своего роста полагаются на очень специфическую среду. С другой стороны, растения должны полагаться на отдельные элементы для своего распространения, как ветер или другие животные, и когда семена высаживаются, окружающей среды должно быть достаточно, чтобы помочь им расти.[17] Арбускулярная микориза - лучший пример этого, поскольку она встречается почти везде, где растения растут в дикой природе. Однако с изменением климата меняется и окружающая среда. Когда климат теплый или прохладный, растения имеют тенденцию «двигаться», то есть проявлять биогеографические движения.[17] Некоторые среды обитания больше не остаются жизнеспособными для определенных растений, но затем другие ранее враждебные среды могут стать более благоприятными для тех же видов.[17] Опять же, если растение находится в среде, где микориза может расти и образовывать симбиоз с растением, это, скорее всего, произойдет за редкими исключениями.

Однако не все грибы могут расти в одних и тех же местах, необходимо учитывать разные типы грибов. Несмотря на то, что некоторые грибы могут иметь огромную территорию распространения, они все же не выдерживают тех же препятствий, что и большинство видов. Некоторые возвышения слишком высоки или слишком низки и ограничивают способность рассеивать споры, отдавая предпочтение аналогичному возвышению, в отличие от увеличения или уменьшения высоты.[17] Некоторые биомы слишком влажные или слишком сухие, чтобы растение не могло не только двигаться, но и расти и выживать, или грибы, обитающие в одном климате, не функционируют так же эффективно (если вообще работают) в другом климате, что еще больше ограничивает распространение.[17] Есть и другие факторы, которые будут опосредовать распространение грибов, создавая границы, которые могут вызвать видообразование между грибными сообществами, например расстояние, водоемы, сила или направление ветра, даже взаимодействие с животными. Существуют «структурные различия, такие как высота гриба, форма и размер спор капли Буллера, определяющие расстояние распространения ».[17] Такие морфологические репродуктивные черты, как эти, играют большую роль в расселении, и если есть барьер, изолирующий или устраняющий их, например река или недостаток почвы, которые могут поддерживать микоризные взаимодействия из-за чего-то вроде падения уровня pH из-за кислотных дождей, основные тактики прорастания устаревают, поскольку потомство не выживает, и, таким образом, популяция не может расти или перемещаться. Вертикальная передача микоризы не существует, поэтому для преодоления этих барьеров требуются альтернативные средства горизонтальная передача.[18] Эндемизм микоризных грибов обусловлен ограничениями того, как виды грибов могут распространяться в своих соответствующих нишах и ареалах обитания, что заметно широко распространено в этих областях.[18]

Хотя меняющийся климат не позволяет этим грибам распространяться, они также служат иллюстрацией важных моментов. Есть большая степень филогенетический сходства между сообществами грибов на одинаковых широтах, и они обнаруживают такое же сходство между собой, как и сообщества растений.[17] Отслеживание одного вида растений поможет сузить конкретное движение микоризы, обычно связанной с этим видом растений. Например, деревья Аляски, как правило, перемещаются на север из-за изменения климата, потому что тундровые районы становятся более гостеприимными и позволяют этим деревьям расти там.[7] Микориза последует, но какие именно, трудно измерить. В то время как растительность над землей легче увидеть и она меньше варьируется в более крупном регионе, содержание почвы широко варьируется в пределах гораздо меньшего региона. Это затрудняет определение точных перемещений определенных грибов, которые могут конкурировать друг с другом, однако у этих аляскинских деревьев есть облигатные эндомикоризные симбиоты в больших количествах, поэтому учет их перемещения проще.[19] Измерения показали, что было различное распределение не только эктомикоризных грибов на деревьях, но и эрикоидной микоризы, микоризы орхидеи и арбускулярной микоризы в кустарниках и плодовых растениях.[19] Они обнаружили, что из измеримого богатства и плотности эктомикоризных видов «колонизация сеянцев снижается с увеличением расстояния от края леса как для местных, так и для инвазивных видов деревьев в мелких пространственных масштабах».[19] Таким образом, самым большим ингибитором роста лесов на самом деле являются микоризы, которые отдают приоритет росту хозяина, а не его укоренению (посеву семян). Питательные вещества в почве не могут поддерживать полный рост дерева в пределах того количества питательных веществ, которое позволяет микориза (которая фокусируется на росте, а не на укоренении).[19] Микориза, которая способствует укоренению растений, в наибольшей степени помогает видам (и, в свою очередь, самим себе), поддерживая здоровое и сбалансированное потребление питательных веществ. Виды, которые удаляются от экватора из-за изменения климата, вероятно, получат наибольшие выгоды, когда микориза заразит их корни и распространится среди других потомков.[19]

Воздействие на здоровье окружающей среды

CO2 газы - лишь один из наиболее распространенных газов, попадающих в атмосферу и циркулирующих в пределах нескольких естественных циклов, необходимых для сохранения жизни на ежедневной основе; однако существует множество других вредных выбросов, которые могут возникнуть в результате промышленной деятельности.[20] Эти газообразные молекулы отрицательно влияют на цикл фосфора, цикл углерода круговорот воды, круговорот азота и многие другие, которые контролируют экосистемы. На микоризные грибы наиболее сильно может повлиять поглощение неестественных химикатов, которые можно найти в почвах рядом с искусственными объектами, такими как фабрики, которые выделяют много загрязняющих веществ, которые могут проникать в экосистему разными способами, одним из худших является кислотный дождь. , который может осаждать оксиды серы и азота в почве и повредить или убить растения на своем пути.[20] Это всего лишь один пример того, как сильные побочные эффекты загрязнения могут повлиять на окружающую среду. Есть свидетельства того, что сельскохозяйственная деятельность также сильно зависит от негативного влияния человека. Преимущество микоризного сообщества в сельскохозяйственных условиях заключается в том, что растения выживают и легче получают питательные вещества из окружающей среды.[20] Эти микоризы косвенно и прямо подвергаются тем же воздействиям, которые человеческая деятельность оказывает на соответствующие растения; наиболее распространенными грибами являются арбускулярные микоризы - в частности, загрязнители атмосферы Земли.[20]

Наиболее распространенные промышленные загрязнители воздуха, которые попадают в атмосферу, включают, но не ограничиваются ими, SO2, NO-x и O3 молекулы.[20] Все эти газы отрицательно влияют на развитие и рост микоризы и растений. Наиболее заметные эффекты, которые эти газы оказывают на микоризу, включают: «сокращение жизнеспособных микориз. пропагулы, колонизация корней, деградация связей между деревьями, снижение микоризности деревьев и сокращение ферментная активность эктомикоризных корней ».[20] Важно отметить рост корней и микоризную колонизацию, поскольку они напрямую влияют на то, насколько хорошо растение может поглощать основные питательные вещества, влияя на то, насколько хорошо он выживает, больше, чем другие побочные эффекты.[20] Изменение климата коррелирует с производством загрязнителей воздуха, поэтому эти результаты важны для понимания того, как влияет не только на микоризы, но и на их симбиотические взаимодействия растение-хозяин.

Рекомендации

  1. ^ Кирк PM, Cannon PF, Дэвид Дж. К., Сталперс Дж. (2001). Словарь грибов Эйнсворт и Бисби (9-е изд.). Уоллингфорд, Великобритания: CAB International.
  2. ^ Глобальное изменение климата. «Обзор: погода, глобальное потепление и изменение климата». НАСА.
  3. ^ Бьянчотто, V (1996). «Облигатно эндосимбиотический микоризный гриб сам по себе питает облигатно внутриклеточные бактерии». Прикладная и экологическая микробиология. 62 (8): 3005–3010. Дои:10.1128 / AEM.62.8.3005-3010.1996. ЧВК  168087. PMID  8702293.
  4. ^ Пейс, Мэтью. «Скрытые партнеры: микоризные грибы и растения». Ботанический сад Нью-Йорка.
  5. ^ а б c d е ж грамм час Брандретт MC, Tedersoo L (декабрь 2018 г.). «Эволюционная история микоризных симбиозов и глобального разнообразия растений-хозяев». Новый Фитолог. 220 (4): 1108–1115. Дои:10.1111 / nph.14976. PMID  29355963.
  6. ^ а б c Gueidan C, Ruibal C, de Hoog GS, Schneider H (октябрь 2011 г.). «Населяющие скалы грибы возникли в периоды засушливого климата в конце девона и среднем триасе». Грибковая биология. 115 (10): 987–96. Дои:10.1016 / j.funbio.2011.04.002. PMID  21944211.
  7. ^ а б Сингх С.П., Сингх Дж.С., Маджумдар С., Мойано Дж., Нуньес М.А., Ричардсон Д.М. (октябрь 2018 г.). «Виды сосны) в позднем меловом периоде и их растущее доминирование в антропоцене». Экология и эволюция. 8 (20): 10345–10359. Дои:10.1002 / ece3.4499. ЧВК  6206191. PMID  30398478.
  8. ^ а б c d е Струллу-Дерриен С., Селосс Массачусетс, Кенрик П., Мартин FM (декабрь 2018 г.). «Происхождение и эволюция микоризных симбиозов: от палеомикологии к филогеномике». Новый Фитолог. 220 (4): 1012–1030. Дои:10.1111 / nph.15076. PMID  29573278.
  9. ^ Миллар, Найл (2016). «Подчеркнутые симбиоты: гипотезы о влиянии абиотического стресса на арбускулярные микоризные грибы». Oecologia. 182 (3): 625–641. Дои:10.1007 / s00442-016-3673-7. ЧВК  5043000. PMID  27350364.
  10. ^ Бернаола, Лина (2018). «Подземная инокуляция арбускулярных микоризных грибов увеличивает местную и системную восприимчивость рисовых растений к различным вредным организмам». Границы науки о растениях. 9: 747. Дои:10.3389 / fpls.2018.00747. ЧВК  5996305. PMID  29922319.
  11. ^ а б c d е ж грамм час я j Монц Калифорния, Хант Х.В., Ривз Ф. Б., Эллиотт и др. (1994-03-01). "Реакция микоризной колонизации на повышенный уровень CO2 и изменение климата в Pascopyrum smithii и Bouteloua gracilis ". Растение и почва. 165 (1): 75–80. Дои:10.1007 / BF00009964.
  12. ^ Хобби, Дж. Э. (2009). «Микоризные грибы поставляют азот растениям-хозяевам в арктических тундрах и бореальных лесах: 15N является ключевым сигналом». Канадский журнал микробиологии. 55 (1): 84–94. Дои:10.1139 / W08-127. HDL:1912/2902. PMID  19190704.
  13. ^ NSIDC. «Изменение климата в Арктике».
  14. ^ Хайнемейер, А. «Влияние температуры на симбиоз арбускулярной микоризы (AM): ростовые реакции растения-хозяина и его грибкового партнера AM». Журнал экспериментальной ботаники.
  15. ^ Гардес, М. (1996). «Разнообразие микориз в арктических и альпийских тундрах: открытый вопрос». Новый Фитолог. 133: 147–157. Дои:10.1111 / j.1469-8137.1996.tb04350.x.
  16. ^ Леон-Санчес, Лупе (2018). «Плохая производительность растений в условиях смоделированного изменения климата связана с микоризными реакциями в полузасушливых кустарниках». Журнал экологии. 106 (3): 960–976. Дои:10.1111/1365-2745.12888. ЧВК  6071827. PMID  30078910.
  17. ^ а б c d е ж грамм час Пи К.Г., Бидартондо М.И., Арнольд А.Е. (март 2010 г.). «Не каждый гриб есть повсюду: масштабирование до биогеографии грибковых взаимодействий между корнями, побегами и экосистемами». Новый Фитолог. 185 (4): 878–82. Дои:10.1111 / j.1469-8137.2009.03158.x. PMID  20356342.
  18. ^ а б Дэвисон Дж., Мура М., Эпик М., Адхолея А., Айнсаар Л., Ба А, Бурла С., Дьедхиу А.Г., Хийесалу И., Яирус Т., Джонсон, Северная Каролина, Кейн А., Корем К., Кочар М., Ндиай С., Пертель М., Рейер Ю , Сакс Ю., Сингх Р., Вазар М., Зобель М. (август 2015 г.). «ГРИБОВЫЕ СИМБИОНТЫ. Глобальная оценка разнообразия арбускулярных микоризных грибов выявила очень низкий эндемизм». Наука. 349 (6251): 970–3. Bibcode:2015Научный ... 349..970D. Дои:10.1126 / science.aab1161. PMID  26315436.
  19. ^ а б c d е Хьюитт Р.Э., Беннетт А.П., Брин А.Л., Холлингсуорт Т.Н., Тейлор Д.Л., Чапин Ф.С., Рупп Т.С. (01.05.2016). «Вникание в суть вопроса: ландшафтные последствия взаимодействия растений и грибов для миграции деревьев на Аляске». Ландшафтная Экология. 31 (4): 895–911. Дои:10.1007 / s10980-015-0306-1.
  20. ^ а б c d е ж грамм Ксавьер LJ, Germida JJ (1999). Белл CR, Брылинский М., Джонсон-Грин П. (ред.). «Влияние деятельности человека на микоризы». Материалы 8-го Международного симпозиума по микробной экологии.