Badanie wykazało, że zmiana klimatu wpływa na grzyby w zdrowych roślinach

Świerki, sosny, jodły i inne drzewa rosną na mroźnych połaciach ziemi rozciągających się przez Amerykę Północną, północną Europę i Rosję, tworząc wielki pierścień otaczający kulę ziemską. Te lasy borealne tworzą największy ekosystem lądowy i lasy najbardziej wysunięte na północ na Ziemi.

Grzyby znajdują się w fotosyntetycznych, czyli żywiących się światłem tkankach północnych drzew, a także w obfitych chmuropodobnych porostach i pierzastych mchach pokrywających ziemię między nimi. Grzyby te są endofitami, co oznacza, że ​​żyją wewnątrz roślin, często w układzie wzajemnie korzystnym.

„Być rośliną to żyć w świecie grzybów” – powiedziała Betsy Arnold, profesor na Uniwersytecie Kalifornijskim. Wyższa Szkoła Nauk o Roślinach w Wyższa Szkoła Rolnictwa, Nauk Przyrodniczych i Środowiska I Katedra Ekologii i Biologii Ewolucyjnej w Kolegium Nauk I członkiem Instytut Bio5. „Endofity są niezbędne dla zdrowia roślin w sposób, który nie jest jeszcze w pełni poznany, ale ogólnie o endofitach wiemy, że bardzo dobrze chronią rośliny przed chorobami i pomagają roślinom być bardziej odpornymi na stresory środowiskowe”, takie jak ciepło. „To była część ważnej rewolucji w naszym myśleniu o roślinach”.

Ponad dziesięć lat temu Arnold i jej zespół wyruszyli w miesięczną przygodę w głąb dzikiej przyrody północno-wschodniej Kanady, aby zrozumieć, w jaki sposób te gatunki grzybów przystosowują się do różnych mikrośrodowisk i jaki wpływ mogą na nie mieć przyszłe zmiany klimatyczne.

Odkryli, że grzyby charakteryzują się dużą różnorodnością i że przystosowały się one w bardzo specyficzny sposób do lokalnych warunków, co oznacza, że ​​są wrażliwe na przyszłe zmiany klimatyczne. Ponieważ zdrowie grzybów jest ściśle powiązane ze zdrowiem ich żywicieli, odkrycia te mają konsekwencje dla przyszłego ogólnego stanu lasów borealnych i naszej planety.

„Lasy borealne odgrywają kluczową rolę w obiegu węgla i wody na naszej planecie” – powiedział Arnold. „Nasza praca podkreśla, że ​​są one domem dla jednych z najbardziej zróżnicowanych ewolucyjnie endofitów grzybowych na świecie – endofitów nie występujących nigdzie indziej”.

Po ponad dziesięciu latach analiz ich wnioski są takie opublikowany W czasopiśmie Current Biology.

„Nasze wspólne badanie podkreśla różnorodność borealnego biomu nowo odkrytych grzybów endofitycznych i ich wrażliwość na klimat” – powiedział współautor badania Shozo Oita, który ukończył studia doktoranckie w laboratorium Arnolda, a obecnie jest pracownikiem naukowym w Sumitomo. Chemiczna spółka z ograniczoną odpowiedzialnością „Endofungi są często pomijane, ponieważ występują w zdrowej tkance roślinnej, ale ostatnio odkryto ich znaczenie dla różnorodności biologicznej i ekosystemów”.

Lotnictwo dla grzybów

Zebranie danych w celu wyciągnięcia tego wniosku było ogromnym wysiłkiem, który wymagał od Arnold i jej współpracowników przeprowadzenia jednych z najbardziej intensywnych prac terenowych w jej życiu – stwierdziła.

Latem 2011 roku zespół zatrudnił na miesiąc doświadczonego pilota, „aby dotrzeć tam, gdzie nie docierają drogi” – powiedział Arnold. Sześcioosobowy zespół przemierzył południowe lasy borealne Kanady aż do skraju arktycznej tundry, lądując po drodze wodnosamolotem na jeziorach.

Wystartowali trzydzieści sześć razy i wylądowali wśród odległych jezior, które usiały krajobraz. Zazwyczaj w każdym miejscu pobierania próbek spędzali około sześciu do 24 godzin.

W ciągu dnia zbierali z ziemi zdrowe liście świerkowe, mchy i świeże porosty, po drodze przechowując swoje naukowe skarby w zamykanych na zamek torbach. Wiercili także rdzenie słojów drzew, mając nadzieję odkryć ich przeszłość, na przykład wiek i narażenie na pożary. Zmierzyli także różne cechy lasów, aby zrozumieć, w jaki sposób roślinność zmienia się w krajobrazie.

W nocy, gdy nad głowami migotała zorza polarna, próbki przetwarzano w mobilnych laboratoriach znajdujących się w siedzibie pilotów. Wysterylizowali powierzchnię świeżej tkanki, aby przygotować ją do ekstrakcji DNA, i wyizolowali kultury grzybów, aby zwizualizować i udokumentować szczepy żyjące w ich próbkach.

„Często pracowaliśmy do 2 lub 3 w nocy i spaliśmy przez kilka godzin, zanim udaliśmy się do następnego miejsca” – powiedział Arnold. Długie dni opłaciły się: „W świecie grzybów godzina pracy w terenie to rok charakteryzacji i dekada analizy potencjału. W ciągu zaledwie kilku tygodni omówiliśmy wiele zagadnień.”

Podróżując z cieplejszego południa na chłodniejszą północ, powtarzali pobieranie próbek w odstępach około 160 km. Pobierali także próbki z jednego zakresu szerokości geograficznej, który był równy pod względem szerokości, ale charakteryzował się bardzo niewielkimi zmianami klimatycznymi, powiedział Arnold. Dokonano strategicznego poboru próbek w tych dwóch wymiarach, aby upewnić się, że wszelkie różnice w różnorodności biologicznej grzybów rzeczywiście wynikają z różnic środowiskowych, a nie samej odległości. Razem przelecieli prawie 2500 mil DeHavilland Otter, który był ich kamperem, często dzieląc przestrzeń podróżną z dodatkowymi zbiornikami paliwa.

Starsze badania dotyczyły związku między różnorodnością biologiczną a szerokością geograficzną, która jest często używana jako wskaźnik zastępczy klimatu. Arnold powiedział, że badania te wykazały, że życie w pobliżu równika staje się bardziej zróżnicowane. Na przykład w przypadku wielu grup organizmów organizmy występujące w tropikalnych lasach deszczowych są bardziej różnorodne biologicznie niż te występujące w tundrze arktycznej.

Okazuje się, że w przypadku grzybów regionu borealnego nie jest to takie proste.

„Wykazaliśmy, że zbiorowiska grzybów borealnych niekoniecznie zmieniają się wraz z klimatem w taki sam przewidywalny sposób, jak zbiorowiska roślinne. Zamiast tego wpływ klimatu na te grzyby jest w dużym stopniu zależny zarówno od gatunku grzyba, jak i od żywiciela” – powiedział współautor prowadzący . Jana Oren, która ukończyła pracę doktorską i przeprowadziła analizy laboratoryjne na potrzeby tego projektu jako naukowiec ze stopniem doktora pod kierunkiem Arnolda, zanim przeniosła się na Washington State University. „Oznacza to, że musimy chronić rośliny i ich endofity grzybowe w całym biomie borealnym, a nie tylko w jednym miejscu, w przeciwnym razie ryzykujemy utratę niezbędnej różnorodności biologicznej i grzybów ochronnych w tych ważnych lasach”.

Arnold uważa, że ​​szczególna zależność klimatyczna tych grzybów endofitycznych odzwierciedla proces koewolucji z żywicielami – lub, jak to ujmuje, „badań i rozwoju”, w którym rośliny znajdują idealnego partnera endofitycznego i rozwijają się pomimo wyraźnych stresów, na jakie narażone są rośliny w tych surowych północnych krajobrazach.

„Grzyby endofityczne występują na całym świecie, ale w różnych środowiskach można wyróżnić odrębne gatunki. Wierzymy, że symbioza z grzybami endofitycznymi polega po części na tym, jak rośliny pokonują wyzwania środowiskowe w skali globalnej, to znaczy ze swoimi endofitycznymi partnerami” powiedział Arnold. „Nie ma zbyt wielu informacji na temat tego, co dokładnie dany endofit robi z konkretną rośliną. Dlatego nasze badanie ma fundamentalne znaczenie w tym sensie, że próbowaliśmy dowiedzieć się, kim są te endofity, jak są rozmieszczone i jak mogą się zmieniać wraz z upływem czasu. zmiana klimatu.”

Ma nadzieję, że przyszłe badania będą mogły opierać się na jej ustaleniach.

„Wiemy, że tracimy różnorodność biologiczną, gdy zmieniają się lasy, ale nie wiemy jeszcze, jakie są kluczowe elementy funkcjonalne” – stwierdziła.

Współpracownik François Luzzoni, profesor biologii na Duke University i współautor tego badania wraz z Arnoldem, zgadza się z tym.

„Była to jedna z najbardziej skomplikowanych prac terenowych, jakie kiedykolwiek przeprowadziłem, ale także jedno z najbardziej ekscytujących doświadczeń badawczych, jakie kiedykolwiek przeżyłem” – powiedział Luzzoni. „Dokumentowanie różnorodności biologicznej naszego zmieniającego się świata to niezbędne badania. Zbierane przez nas okazy są deponowane w zielnikach, dzięki czemu mają trwałą wartość dla zrozumienia, w jaki sposób gatunki, ich rozmieszczenie, geny i ekosystemy, w których żyją, zmieniają się w czasie. Z kolei zielniki są najlepsze służy społeczność naukowa.” Odbywa się to poprzez integrację z laboratoriami badawczymi na międzynarodowych uniwersytetach.”

Kierując się takim nastawieniem, Arnold pracuje obecnie nad wykorzystaniem roślin domowych uprawianych lokalnie w Arizonie, aby zwiększyć odporność upraw w zmieniającym się świecie.

„Podobnie jak lasy borealne są siedliskiem nieoczekiwanej różnorodności endofitów, podobnie jak rośliny tutaj, w Arizonie” – powiedział Arnold. „Nasze kolejne kroki to wykorzystanie tych bogatych i starożytnych grzybów endofitycznych jako narzędzi pomagających roślinom rosnąć. Ostatecznie mamy nadzieję, że poznając te grzyby w skali globalnej, będziemy mogli nie tylko nakreślić przeszłość i przyszłość istotnego elementu różnorodności biologicznej naszej planety.”, ale możemy także wykorzystać te, które występują na naszych lokalnych obszarach, aby uprawy mogły dobrze prosperować przy ograniczonej wodzie i wysokich temperaturach. Można powiedzieć, że przyszłość jest wrodzona.”

Innymi współautorami są Jolanta Miadlkowska z Duke University, Bernard Paul z University College Dublin i Duke University, Ignazio Carbone z North Carolina State University, Georgiana May z University of Minnesota, Naupaka P. Zimmerman z University of San Francisco i Dennis Dolina. z Uniwersytetu Florydy i Valerie Truitt z Uniwersytetu w Arizonie Laboratorium Badań nad Słojami Drzew.

Badania te zostały sfinansowane w ramach inicjatywy National Science Foundation o nazwie Wymiary różnorodności biologicznej.