“未来是真菌的”：科学家描绘北方生物多样性的新时代

在北方树木的光合作用组织（或称"食光组织"）中，以及在它们之间铺满地面的云状地衣和羽毛状苔藓中，都隐藏着真菌。这些真菌是内生菌，也就是说，它们生活在植物内部，通常是互利共生的。

农业、生命与环境科学学院植物科学学院和理学院生态学与进化生物学系教授、Bio5 研究所成员贝齐-阿诺德（Betsy Arnold）说："植物就是生活在真菌的世界里。内生真菌对植物的健康至关重要，其作用方式尚不完全清楚，但我们从内生真菌中了解到的一般情况是，它们能很好地保护植物免受疾病侵袭，并帮助植物更好地抵御高温等环境压力。它们是我们对植物认识的一场重要革命的一部分。"

在杜克大学的 François Lutzoni（左）和亚利桑那大学的 Betsy Arnold 的共同领导下，项目组乘坐 DeHavilland Otter 飞行器从一个湖飞到另一个湖，专家飞行员 Jacques Bérubé（中）为项目实地小组提供了前往偏远地点的通道。图片来源：Betsy Arnold

十多年前，阿诺德和她的团队开始了长达一个月的探险，深入加拿大东北部的荒野，了解这些真菌物种如何适应不同的微环境，以及它们在未来气候变化下的生存状况。

他们发现真菌之间存在巨大的多样性，而且它们以非常特殊的方式适应当地的条件，这意味着它们将对未来的气候变化非常敏感。由于真菌的健康与其宿主的健康密切相关，这些发现对未来北方森林和我们地球的整体健康都有影响。

"北方森林是地球碳循环和水循环的核心，"阿诺德说。"我们的工作突出表明，它们是世界上一些进化最多样化的真菌内生菌的家园，而这些内生菌在其他地方是找不到的。"

Cladonia 是一种地衣，在名为 Pleurozium 的苔藓地毯上方几英寸的地方长出一蓬白色的东西。与北方地带标志性的黑云杉（Picea）一样，它们也蕴藏着多种内生真菌，这些真菌在它们健康的组织中共生。图片来源：贝茜-阿诺德

经过十多年的分析，他们的研究结果发表在《当代生物学》杂志上。

"我们的合作研究揭示了北方生物群落中新发现的内生真菌的多样性及其对气候的敏感性，"该研究的共同第一作者大分修造（Shuzo Oita）说，他在阿诺德的实验室完成了博士学业，现在是住友化学株式会社的研究科学家。"内生真菌常常被忽视，因为它们存在于健康的植物组织中，但最近它们在生物多样性和生态系统中的重要性被揭示出来了"。

她说，收集数据以得出这一结论是一项艰巨的工作，需要阿诺德和她的同事们进行她一生中最紧张的实地考察。

阿诺德说，在2011年夏天的一个月时间里，该团队与一名专业飞行员签订了合同，"前往道路不通的地方"。六人小组穿越加拿大北部森林南部，一直到达北极苔原边缘，沿途将浮空器降落在湖泊中。

贝齐-阿诺德和她的团队乘坐浮空器进入北美东部北方森林的偏远地区。从窗口望去，云杉从苔藓和地衣的地毯中生长出来，研究人员将在湖上降落。图片来源：贝茜-阿诺德

他们在遍布地貌的偏远湖泊间起降了 36 次。通常情况下，他们在每个采样点停留大约 6 到 24 个小时。

白天，他们收集健康的云杉树叶以及地面上新鲜的苔藓和地衣，边走边把科学宝藏装进密封袋中。他们还钻取年轮芯，希望揭示它们的过去，如树龄和野火暴露情况。他们还测量了各种森林特征，以了解植物在地形上的变化。

到了晚上，当北极光在头顶闪烁时，他们在飞行员宿舍内的便携式实验室里处理样本。他们对新鲜组织进行表面消毒，为提取DNA做准备，并分离真菌培养物，以观察和记录样本中的菌株。

阿诺德说："我们经常工作到凌晨两三点，然后睡上几个小时，再飞往下一个工地。"漫长的工作得到了回报："在真菌世界里，一小时的野外工作就是一年的特征描述和十年的潜在分析。在短短几周的时间里，我们就完成了大量的工作"。

当他们从较温暖的南部地区前往较寒冷的北部地区时，他们以大约 100 英里的间隔重复采样。阿诺德说，他们还沿着一条纬度带取样，这条纬度带同样宽广，但代表的气候变化却很小。他们战略性地从这两个维度进行采样，以确保真菌生物多样性的任何差异都是由环境差异而非距离造成的。他们一起驾驶 DeHavilland Otter 飞机飞行了近 1500 英里，这架飞机就是他们的移动之家，他们经常用额外的油箱来分享旅行空间。

Betsy Arnold 是植物科学学院的教授，同时也是西南地区首屈一指的真菌生物多样性收藏馆 Gilbertson 真菌标本馆的馆长。她在北方生物群落的工作是她全球范围研究、学生参与和全球合作的一部分，研究范围从非洲南部、南美洲到北极。图片来源：Jolanta Miadlikowska

较早的研究考察了生物多样性与纬度之间的相关性，纬度通常被用作气候的替代物。阿诺德说，这些研究发现，一般来说，越靠近赤道，生命越多样化。例如，对于许多生物类群来说，热带雨林中的生物比北极苔原中的生物更加多样化。

事实证明，北方地区的真菌并非如此简单。

"我们的研究表明，北方真菌群落并不一定会像植物群落那样以可预测的方式随气候发生变化。"共同第一作者亚娜-乌仁（Jana U'Ren）说："相反，气候对这些真菌的影响在很大程度上取决于真菌种类和宿主。这意味着我们需要保护整个北方生物群落的植物及其真菌内生菌，而不仅仅是在一个地方，否则我们就有可能失去这些重要森林中至关重要的生物多样性和保护性真菌。"

阿诺德认为，这些真菌内生菌对气候的特殊依赖性反映了它们与宿主共同进化的过程，也就是她所说的"研究与发展"，因为植物找到了理想的内生菌伙伴，并在这些严酷的北方地貌植物所面临的独特压力下依然繁茂生长。

"世界各地都有内生菌，但不同环境中的内生菌各不相同。"阿诺德说："我们认为，与内生菌共生在某种程度上是植物在全球范围内克服环境挑战的方式，也就是与它们的内部真菌伙伴共生。关于单个内生真菌对单个植物的作用的信息并不多。因此，我们的研究具有奠基性意义，因为我们试图弄清这些内生菌是谁，它们是如何分布的，以及它们会如何随着气候的变化而变化。"

她希望未来的研究能以他们的发现为基础："我们所知道的是，当这些森林发生变化时，我们正在失去生物多样性，而我们还不知道关键的功能要素是什么。"

合作者弗朗索瓦-卢佐尼（François Lutzoni）表示同意，他是杜克大学生物学教授，与阿诺德共同主持了这项研究。

卢佐尼说："这是我做过的最复杂的野外工作，也是最令人振奋的研究经历之一。记录不断变化的世界中的生物多样性是一项重要的研究。我们采集的标本都保存在标本馆中，因此对于了解物种、物种分布、物种基因以及物种栖息的生态系统如何随着时间的推移而变化具有持久的价值。反过来，标本馆服务于科学界的最佳方式就是与世界一流大学的研究实验室相结合。"

在这种思想指导下，阿诺德目前正致力于利用亚利桑那州本土生长的内生菌来增强作物在这个不断变化的世界中的适应能力。

阿诺德说："就像北方森林蕴藏着意想不到的多样性内生菌一样，亚利桑那州的植物也是如此。我们下一步要做的就是挖掘这些丰富而古老的内生菌，将其作为帮助植物茁壮成长的工具。最终，我们希望通过在全球范围内了解这些真菌，我们不仅能描绘出地球生物多样性的一个关键要素的过去和未来，而且还能利用我们当地的真菌，使农作物在有限的水资源和不断上升的气温条件下茁壮成长。可以说，未来就是真菌的未来。"

编译来源：ScitechDaily