北极新奥尔松地区常见大型真菌物种多样性及区系分析

何晨阳 冯健举 张涛 余利岩

(中国医学科学院医药生物技术研究所,中国药学微生物菌种保藏管理中心,北京 100050)

0 引言

北极黄河站所在的新奥尔松地区(78°55′N,11°56′E)位于北极圈附近的斯瓦尔巴德群岛(Svalbard Islands),该地区位于高北极地区,生态系统受人为的扰动较少,但由于其生态系统脆弱,对全球气候变化也更为敏感,是研究生态系统对全球变化响应的理想实验场所。随着全球气候变化,在过去的100年里,北极平均气温的上升速度是世界平均速度的2 倍之多[1]。北极的自然生态环境也随之发生了显著变化,包括苔原植被变化冰川融化冻土层减薄以及能量物质循环的改变[2-4]。由此认为,北极生物多样性受到了气候变化的影响,其独特的种质资源及基因资源受到威胁,亟待研究保护。

大型真菌是北极苔原生态系统中的重要成员,它们在地面上可以产生子实体以便繁殖,但其大部分生物量在地下,可以为植物根系提供营养,对北极植物营养的调节作用十分重要,例如,它们是一些关键植物物种(仙女木Dryas octopetala珠芽蓼Polygonum viviparum极柳Salixpolaris)的外生菌根菌。某些无毒的大型真菌也是驯鹿和各种无脊椎动物的重要食物。此外,大型真菌因为其生长于土壤上或与土壤密切接触,可以作为土壤质量的敏感指示物[5]。斯瓦尔巴德群岛大型真菌物种多样性的研究始于1833年,20世纪60年代开始,研究者对斯瓦尔巴德群岛大型真菌进行了较为系统的研究[5]。截至2018年,斯瓦尔巴德群岛已记录大型真菌约187 种,其中包括蘑菇目Agaricales(157 种)腹菌目Gasteromycetales(10 种)非褶菌目 Aphyllophorales(13 种)外担菌目Exobasidiales(3 种)花耳菌目Dacrymycetales(2 种)和银耳目Tremellales(2 种)[5-7]。

本文以在北极新奥尔松地区调查采集的大型真菌标本为基础,结合文献报道,对该地区大型真菌物种多样性及其区系组成进行了初步研究,这将为研究气候变化对北极苔原生态系统及大型真菌多样性的影响提供必要的实验数据支持。

1 研究材料与方法

1.1 研究地点及标本采集

新奥尔松地区位于斯瓦尔巴德群岛(Svalbard Islands)中斯匹次卑尔根岛(Spitzbergen)的西海岸,地处布勒格半岛(Brøgger Peninsula)的中部偏北,临近王湾(Kongsfjorden),该地区位于北极圈(66.5°N)以内,属于高北极地区,但来自挪威大陆向北流向斯匹次卑尔根岛西海岸的温暖洋流使其相较于同纬度其他地区气候更为温暖,该地区年降水量为401.2 mm,3月是一年中最寒冷的月份,月平均气温为-11 ℃,7月是最温暖的月份,月平均气温为+6 ℃(2005—2015,https://www.timeanddate.com/weather/norway/ny-alesund/climate)。48 份大型真菌标本于2019年北极黄河站夏季科学考察期间(7月22日—8月12日)采集(图1)。大型真菌标本采集时,记录采集地的经纬度生境照片,标本采集后置于无菌采样袋中带回北极黄河站内实验室,整理编号,部分样品晒干,部分样品置于-20℃冰箱低温保藏。

图1 北极新奥尔松地区大型真菌样品采样点(红色圆点标记,地图来源于武汉大学中国南极测绘研究中心)Fig.1.Locations of sampling sites in Ny-Ålesund region(the sampling sites are marked by red dots,map was obstained from Wuhan University Chinese Antarctic Center of Surveying and Mapping)

1.2 标本形态鉴定

在野外采集记录新鲜标本的宏观特征。对大型真菌显微形态观察时,用镊子和解剖刀片选取不同部位的组织进行切片或直接制片。新鲜标本以纯净水作为介质,干标本则使用质量体积比为5%的KOH 溶液制片,制作的玻片在显微镜(Axio Scope A1,Zeiss)下观察,记录显微结构特征。

1.3 DNA 提取及PCR 扩增

取约5 mm×5 mm 的小块标本组织块,加入液氮研磨后用改良CTAB 法提取DNA[8]。使用引物 ITS1F 和 ITS4 扩增了该 rRNA 基因的ITS( ITS1- 5.8S-ITS2)[9]。PCR 扩增采用50 μL 体系,包括:Easy Taq Buffer 6 μL,Easy Taq DNA Polymerase 1.5 μL,dNTP 4 μL,引物(ITS1F 和ITS4)各1.5 μL,ddH2O 33.5 μL,样品2 μL。反应条件:95℃预变性3 min,94℃变性30 s52℃退火30 s72℃延伸40 s进行37 个循环,72℃延伸10 min,4℃保存。PCR 产物用1%琼脂糖凝胶电泳检测,具有阳性条带的PCR 产物送生工生物工程(上海)股份有限公司采用桑格测序法进行测序。测序结果上传至GenBank 数据库,GenBank 登录号为MW748423—MW748470。

1.4 序列比对及分析

获得的ITS 区序列信息,采用NCBI 网站上的序列比对工具BLASTn,与GenBank 中的序列进行比对。下载相似度和覆盖度均≥97%的部分大型真菌序列与自测序列形成数据集。使用在线网站(https://mafft.cbrc.jp/alignment/server/)对序列进行对排,形成的矩阵将两端的18S 和28S 保守区截去后,保存为Fasta 格式。通过PhyloSuite_v1.1.16 软件中的Model Finder 功能,得出AIC 模式下最佳模型为GTR+F+I+G4,并使用RaxML v8.2.10 软件进行最大似然法系统发育分析,碱基替换模型选择GTRGAMMAI,经1000 次非参数自助法(nonparametric bootstrapping)分析获得支持度。系统发育树使用Fig Tree v1.4.4 进行可视化和编辑,标注最大似然法自检值≥50%的值于分支节点上下。

1.5 区系分析

物种学名的分类系统及命名人缩写参照真菌索引(http://www.indexfungorum.org),区系分布类型主要依据相关物种的文献报道[5-7,10-39]进行划分。

2 结果与分析

2.1 新奥尔松地区大型真菌物种多样性

对新奥尔松地区采集的48 份大型真菌标本经过形态特征及分子序列分析,鉴定为 21 种(图2)。鉴定的21 种大型真菌,隶属于担子菌门(Basidomycota)蘑菇目(Agaricales)下属7 科(蜡伞科 Hygrophoraceae口蘑科 Tricholomataceae丝膜菌科 Cortinariaceae粉褶菌科 Entolomataceae丝盖伞科 Inocybaceae马勃科 Lycoperdaceae腹轴菌科 Hymenogastraceae) 10属(健孔菌属Arrhenia漏斗伞属Infundibulicybe蜡蘑属Laccaria亚脐菇属Omphalina丝膜菌属Cortinarius粉褶蕈属Entoloma丝盖伞属Inocybe秃马勃属Calvatia盔孢伞属Galerina滑锈伞属Hebeloma)(表1),其中锈健孔菌Arrhenia rustica为斯瓦尔巴德群岛新记录种。

新奥尔松地区大型真菌物种名录如下。

1 蜡伞科 Hygrophoraceae

1.1 健孔菌属Arrhenia

1.1.1 裂片健孔菌Arrhenia lobata(Pers.) Kuhner&Lamoure ex Redhead

标本号:0727-430727-480727-570727-600728-040728-16。

地理分布:斯瓦尔巴德群岛[5-6,10]加拿大北极及亚北极地区[11]欧洲阿尔卑斯山脉[12]利比亚半岛西伯利亚及地中海地区[13]北美落基山脉[14]阿根廷[15]。

1.1.2 锈健孔菌Arrhenia rustica(Fr.) Redhead,Lutzoni,Moncalvo &Vilgalys

标本号:0728-17。

地理分布:斯瓦尔巴德群岛新记录叙尔特塞岛[16]韩国[17]加拿大北极及亚北极地区[11]阿根廷[15]。

2 口蘑科 Tricholomataceae

2.1 漏斗伞属Infundibulicybe

2.1.1 砖红漏斗伞Infundibulicybe lateritia(J.Favre) Vizzini &Contu

标本号:0731-39。

地理分布:斯瓦尔巴德群岛[5]加拿大北极及亚北极地区[11]瑞士[18]。

2.2 蜡蘑属Laccaria

2.2.1 红蜡蘑Laccaria laccata(Scop.) Cook

标本号:0729-300731-09。

地理分布:斯瓦尔巴德群岛[5-6]加拿大北极及亚北极地区[11]俄罗斯堪察加半岛格陵兰岛欧洲阿尔卑斯山脉冰岛北美阿拉斯加[19]北美落基山脉[14]中国[20]南非[21]新西兰[22]澳大利亚[23]阿根廷[15]。

2.2.2 山蜡蘑Laccaria montanaSinger

标本号:0727-31。

地理分布:斯瓦尔巴德群岛[5-6]加拿大北极及亚北极地区[11]俄罗斯堪察加半岛欧洲阿尔卑斯山脉冰岛[19]北美落基山脉[14]中国西藏[24]。

2.3 亚脐菇属Omphalina

2.3.1 雪亚脐菇Omphalina chionophilaLamoure

标本号:0729-02。

地理分布:斯瓦尔巴德群岛[5-6]瑞典[25]。

2.3.2 囊盖亚脐菇Omphalina rivulicola(J.Favre)Lamoure

标本号:0727-440727-450727-59。

地理分布:斯瓦尔巴德群岛[5-6]斯堪的纳维亚山脉中欧及南欧山区[10]。

3 丝膜菌科 Cortinariaceae

3.1 丝膜菌属Cortinarius

3.1.1 高山丝膜菌Cortinarius alpinusBoud.

标本号:0731-060802-030802-040803-18。

地理分布:斯瓦尔巴德群岛[5-6]俄罗斯意大利法国挪威瑞士格陵兰岛[26]加拿大北极及亚北极地区[11]北美落基山脉[14]中国[27]。

3.1.2 极地丝膜菌Cortinarius polarisHøiland

标本号:0729-290727-34。

地理分布:斯瓦尔巴德群岛[5-6]加拿大北极及亚北极地区[11]北美落基山脉[14]。

3.1.3 土星丝膜菌Cortinarius saturninus(Fr.)Fr.

标本号:0725-030726-100810-12。

地理分布:斯瓦尔巴德群岛[28]法国瑞士北美[29]中国新疆[30]。

4 粉褶菌科 Entolomataceae

4.1 粉褶菌属Entoloma

4.1.1 黑丝状粉褶菌Entoloma atrosericeum(Kuhner) Noordel.

标本号:0729-27。

地理分布:斯瓦尔巴德群岛[6]北美落基山脉[14]。

5 丝盖伞科 Inocybaceae

5.1 丝盖伞属Inocybe

5.1.1 淡黄丝盖伞Inocybe flavellaP.Karst.

标本号:0729-14。

地理分布:斯瓦尔巴德群岛[6]欧洲[31]美国[32]。

5.1.2 深褐边丝盖伞Inocybe fuscomarginataKuhner

标本号:0729-280729-31。

地理分布:斯瓦尔巴德群岛[5-6]欧洲斯堪的纳维亚山脉阿尔卑斯山脉[32]。

5.1.3 暗毛丝盖伞Inocybe lacera(Fr.) P.Kumm.

标本号:0727-53。

地理分布:斯瓦尔巴德群岛[5-6]欧洲[31]加拿大北极及亚北极地区[11]北美[14,32]。

5.1.4 白锦丝盖伞Inocybe leucolomaKuhner

标本号:0727-850812-030812-07。

地理分布:斯瓦尔巴德群岛[5-6]欧洲斯堪的纳维亚山脉阿尔卑斯山脉喀尔巴阡山脉北美落基山脉[14,32]中国长白山[33]。

6 马勃科 Lycoperdaceae

6.1 秃马勃属Calvatia

6.1.1 白垩秃马勃Calvatia cretacea(Berk.) Lloyd

标本号:0727-180728-06。

地理分布:斯瓦尔巴德群岛[5]北美落基山脉[14]。

7 腹轴菌科 Hymenogastraceae

7.1 盔孢伞属Galerina

7.1.1 北极盔孢伞Galerina arctica(Singer)Nezdojm.

标本号:0729-08。

地理分布:斯瓦尔巴德群岛[5-6]俄罗斯挪威法国高山地区[10]北美落基山脉[14]。

7.1.2 棒囊盔孢伞Galerina clavata(Velen.)Kuhner

标本号:0727-460727-470727-700727-730727-900803-20

地理分布:斯瓦尔巴德群岛[5-6]北美落基山脉[14]中国大兴安岭[34]。

7.2 滑锈伞属Hebeloma

7.2.1 沙地滑锈伞Hebeloma dunenseL.Corb.&R.Heim

标本号:0725-020726-140802-08。

地理分布:斯瓦尔巴德群岛[7]加拿大俄罗斯欧洲阿尔卑斯山欧洲喀尔巴阡山北美落基山脉[7,14]。

7.2.2 褐盖滑锈伞Hebeloma mesophaeum(Pers.)Quel.

标本号:0726-230728-130812-11。

地理分布:斯瓦尔巴德群岛[6-7]加拿大北极及亚北极地区[11]俄罗斯冰岛欧洲阿尔卑斯山脉斯堪的纳维亚山脉喀尔巴阡山脉北美落基山脉[7,14]喜马拉雅山脉西部[35]中国吉林及内蒙古[36]尼日利亚[37]阿根廷[38]。

7.2.3 斯匹次卑尔根滑锈伞Hebeloma spetsbergenseBeker &U.Eberh

标本号:0727-39。

地理分布:斯瓦尔巴德群岛[7]北美落基山脉[14,39]。

2.2 分子系统学分析

获得48 份标本的ITS 序列信息,从GenBank中下载其近缘物种序列,基于标本序列及近缘物种序列采用最大似然法构建系统发育树。从结果可看出标本序列分别与其近缘物种序列聚到一起,在系统发育树中大多数物种的支持率在90%以上,能够很好地支持形态学上的鉴定结果,虽然存在部分物种支持率较低,但其 ITS 序列均具有很高的一致性(图3)。

2.3 新奥尔松地区大型真菌区系分析

本研究将新奥尔松地区所采集的大型真菌物种区系组成划分为3 类,包括：世界广布种北温带-北极分布种北寒带分布种。从物种的区系组成上可以看出新奥尔松地区大型真菌物种以北温带-北极分布和北寒带分布成分为主(图4),具有明显的泛北极分布特征。

图4 北极新奥尔松地区蘑菇目物种区系地理成分Fig.4.Geographical components of macrofungal species in Ny-Ålesund region,Arctic

世界广布种,即广泛分布于全世界各大洲且没有特定的分布区域中心的种。新奥尔松地区共鉴定得到4 种,隶属于3 科3 属,占蘑菇目物种鉴定总数的 19.05%,包括裂片健孔菌Arrhenia lobata锈健孔菌Arrhenia rustica红蜡蘑Laccaria laccata褐盖滑锈伞Hebeloma mesophaeum。

北温带-北极分布种,即分布于北回归线以北地区的种,包括亚洲欧洲北美洲和北极地区的种。新奥尔松地区共鉴定得到10 种,隶属于4 科6 属,占蘑菇目物种鉴定总数的47.62%,包括山蜡蘑Laccaria montana囊盖亚脐菇Omphalina rivulicola高山丝膜菌Cortinarius alpinus土星丝膜菌Cortinarius saturninus淡黄丝盖伞Inocybe flavella深褐边丝盖伞Inocybe fuscomarginata暗毛丝盖伞Inocybe lacera白锦丝盖伞Inocybe leucoloma斯匹次卑尔根滑锈伞Hebeloma spetsbergense棒囊盔孢伞Galerina clavata。

北寒带分布种,即广泛分布于北寒带的种,包括北极及北极圈附近的种。新奥尔松地区共鉴定得到7 种,隶属于5 科7 属,占蘑菇目物种鉴定总数的33.33%,包括砖红漏斗伞Infundibulicybelateritia极地丝膜菌Cortinarius polaris黑丝状粉褶菌Entoloma atrosericeum白垩秃马勃Calvatia cretacea北极盔孢伞Galerina arctica沙地滑锈伞Hebeloma dunense雪亚脐菇Omphalina chionophila。

3 讨论

北极特殊生境造就了其独特的真菌物种多样性遗传多样性及生态多样性,本研究对北极新奥尔松地区大型真菌物种资源以及系统发育多样性进行了初步分析。此次共采集大型真菌标本48份,均隶属于担子菌门 Basidiomycota蘑菇目Agaricales,涵盖了7 科10 属21 种,表明该北极苔原地区大型真菌物种多样性较为丰富。

外生菌根真菌与北极苔原中许多植物物种形成共生体。只有存在植物寄主时,外生菌根菌(如丝膜菌属Cortinarius丝盖伞属Inocybe蜡蘑属Laccaria滑锈伞属Hebeloma)才能生长,外生菌根菌常见的北极苔原寄主植物包括仙女木Dryas octopetala珠芽蓼Polygonum viviparum极柳Salixpolaris等[7,40],进而促进苔原植物根系吸收营养[41-42]。因此,如果没有大型真菌对苔原植物营养的调节能力,寒冷的北极苔原植被将会更加稀少[41]。此外,北极地区冬季较长,苔原植被利用率较低,食物数量少及质量差,给北极食草动物带来了巨大生存压力,出于夏季补充营养的需求,某些大型真菌物种(如雪亚脐菇Omphalina chionophila土星丝膜菌Cortinarius saturninus)也是驯鹿和各种无脊椎动物的重要食物[43]。尽管它们很重要,但对北极苔原地区的大型真菌的物种多样性丰度分布及影响其群落组成的关键驱动因素还不甚了解。气候变化正在以惊人的速度改变北极苔原生态系统及其物种组成,因而系统研究北极苔原中包括大型真菌在内的生物多样性具有重要意义。

本研究将所鉴定的物种划分为3 个地理区系类型。从区系分布上来看,该地区大型真菌物种具有明显的泛北极分布特征,以北温带-北极分布和北寒带分布成分为主,如裂片健孔菌Arrhenia lobata常被报道于北极和高寒地区,大量存在于潮湿的长满苔藓的环北极地区,与苔藓存在寄生关系,但也曾被报道于阿尔卑斯山脉喀尔巴阡山脉伊比利亚半岛山区西伯利亚高山带等山区[13]。砖红漏斗伞Infundibulicybe lateritia(≡Clitocybe lateritia)也是一种稀有的高山-北极物种,与北极苔原植物仙女木Dryas octopetala紧密相关[18]。斯匹次卑尔根滑锈伞Hebeloma spetsbergense最初仅在斯瓦尔巴德群岛被发现并报道(78°N)[7],后来在美国科罗拉多州(36°N—38°N,海拔3700～3800 m)也被发现报道[33],两者相距约6500 km,扩展了该种分布范围,而该种是否在其他区域分布还有待进一步研究。总之,关于北极及其他区域大型真菌物种多样性进一步的深入研究将有利于阐明其地理分布特征。