真菌生长响应循环加热事件由物种相互作用调制

1。介绍

越来越多的兴趣在推进我们对角色的理解土壤微生物群落在人类世(盖森et al ., 2019)。迫切需要预先研究和知识来自两个方向,随着土壤微生物都是一个重要的主体和客体在全球变化的动力。一方面,考虑土壤作为主题,深化和完善我们的知识土壤微生物群落的作用在缓解全球变化对人类社会的影响和生态和气候系统(Hannula Morrien, 2022)。另一方面,考虑土壤为对象,我们需要更好地了解土壤社区本身受到全球变化的影响(盖森et al ., 2019)。我们对风险的理解和弹性的土壤微生物群落仍是基本的,需要迅速改进。

近年来,越来越出现的极端天气报道在世界各地,包括热浪(Perkins-Kirkpatrick和吉布森,2017)。这样的热浪的影响对土壤腐生的真菌是可以理解,尽管土壤真菌的重要作用之间的反馈回路土壤和大气碳(Hannula Morrien, 2022)。土壤腐生的真菌可能容易受到空气温度的突然变化,特别是在最高土壤和土壤真菌物种已被证明是影响热事件(Andrade-Linares et al ., 2016 a;Szymczak et al ., 2020)。

高土壤真菌的多样性生活在土壤,主要是通过分解植物和有机物质和营养循环(Baldrian et al ., 2012;Hannula Morrien, 2022)。这些土壤真菌很少独自生活,但是在复杂的微生物群落,与许多真菌物种相互作用(Baldrian et al ., 2012)。大多数生物交互上下文依赖和相互作用的结果可能会改变根据环境条件,包括温度(Hiscox et al ., 2016;de Oliveira et al ., 2020)。虽然温度是一个非常重要的因素,其影响通常在实验室实验测试了温度在一个恒定值,温度在生态系统是一个动态变量,昼夜和季节变化(de Oliveira et al ., 2020)。因此,循环热事件可能是一个重要的因素,影响真菌物种相互作用及其随之增长。时间温度变化环境条件可能层次交互转向不及物交互,与共存的重要后果Crowther et al ., 2012;Hiscox et al ., 2016)。

腐生的土壤真菌表现出不同的反应循环热事件(Szymczak et al ., 2020)。循环热事件可以中性的影响(没有明显效果),对抗(第一个事件减少了第二个事件的影响,也称为压力启动效应),添加剂(总效应的总和个人事件),或协同(当整体效果大于个体事件)(Szymczak et al ., 2020)。之前它已经表明,真菌可以影响的社区组成压力宽容和竞争之间的权衡(干扰)的能力,可能也扮演一个变异相关的共存机制在当地规模(梅纳德et al ., 2019)。此外,竞争优势之间的权衡和压力电阻可以使生物共存(Haegeman et al ., 2014)。

之前它已经被提出,微生物启动反应可以在社区环境和调制相反,启动能力的差异以及差异指一整套特征(例如,增长率)可能会影响物种共存Rillig et al ., 2015;其et al ., 2021)。在这里,我们开发了这个想法进一步使用一个实验,通过成对co-cultivating真菌物种的集合或三胞胎和应用暂时变量温度制度(循环热事件),并评估他们的生长反应(Szymczak et al ., 2020)。我们测试了不同真菌的co-cultivation如何影响个人隔离响应热事件的能力通过co-cultivation的直接影响的启动能力的焦点物种或热事件对竞争的强度的影响(Rillig et al ., 2015;其et al ., 2021)。

2。材料和方法

2.1。真菌菌株

在先前的研究中,32土壤真菌分离株(孤立的从同一土壤环境)测试他们的反应循环热事件(Szymczak et al ., 2020)。真菌分离从0到10厘米深的草原土壤收集Mallnow Lebus,勃兰登堡德国(Andrade-Linares et al ., 2016 b)。

基于前面的性能隔离在单作,我们选择一个子集的六个隔离对比的反应和结合他们对三个物种生长在培养皿中含有马铃薯葡萄糖琼脂培养基(PDA)。然后我们受到他们相同的循环热事件之前用于单一栽培(Szymczak et al ., 2020)。

我们选择三个隔离之前并没有显示启动能力:RLCS06 (Chaetominum anustispirale),RLCS07 (Amphisphaeriaceaesp),和RLCS16 (侧耳属sapidus),和三个显示启动能力:RLCS02 (Mortierella拉长),RLCS05 (镰刀菌素sp),和RLCS32 (尖孢镰刀菌)(更详细的隔离补充图1和Szymczak et al ., 2020)。为了便于结果后,我们把不同的隔离与代码相结合启动反应(np,没有启动,p,启动)与应变身份信息(隔离数字)。然后,我们指的是以前没有显示启动np06隔离,npo07, np16和隔离显示启动p02, p05和第9。所有的真菌分离株都保持活跃在PDA在20°C到用于实验。

我们运行了一个测试的隔离种植自己成对或三胞胎在控制温度(C,恒温22°C)和殖民地看起来非常对称和提出了非常相似的增长模式(补充图2)。因此,为了减少实验单位,我们不适用温度与自己隔离种植治疗组合,但只有在组合不同的隔离,如以下所述文本。

2.2。我(物种对实验)

首先,六个选择隔离co-cultivated成对在培养皿中包含PDA和接收不同的热处理。先前建立的热处理是通过模拟假设土壤表面附近的热浪和使用温度和持续时间在以前的实验中,测试中描述Szymczak et al。(2020):控制(C,恒温22°C),轻微的扰动(2 h M, 35°C),严重扰动(1 h)期间,45°C,和序列的两个扰动(女士,35°C在2 h,紧随其后的是45°C在1 h)。热疗法是应用于一个2×2完全析因设计,由轻微的扰动(35°C / 2 h,是或否),后跟一个严重扰动(45°C / 1 h,是或否)(Szymczak et al ., 2020)。

实验设置,真菌隔离最初生长在PDA 22°C和处理(如前所述)(Szymczak et al ., 2020)。后,插头是取自活跃的边缘殖民地和转移到新的PDA板块根据真菌组合。插头是接种等距的边界板和彼此之间。真菌接种后的组合,六个复制板为每个治疗(真菌对和温度)被放置在复制孵化器根据治疗(板被放置在对三种不同的孵化器)。这意味着治疗应用于两个技术复制(琼脂板)嵌套在这三个试验单位(三个孵化器)。试验我,我们测试了15真菌分离株的组合有四个热处理(2×2的阶乘设计)应用于六个复制板(两个琼脂板放置/嵌套在三个不同的孵化器),在总共15×4×6 = 360盘子。

热处理后,真菌组合种植22°C为2周。最后,菌落的直径测量,每个菌株的生长速率计算潜伏期,菌丝体的对,和没有接触实验期间(Szymczak et al ., 2020)。因此,实验设计治疗真菌相互作用的聚合互动距离,干扰在接触,空间竞争。

2.3。实验二(三种)

后,上述六个所选菌株接种在20随机组合的三个物种在PDA媒体和提交(组合所描述的治疗之前图3)。前面描述的实验有相同的设计,遵循相同的实验室所有步骤但co-cultivated三隔离而不是两个。实验二,我们测试了20真菌分离株的组合,有四个热处理和六个复制,总共20×4×6 = 480盘子。两个实验总结,360板+ 480板,导致840年盘子。

2.4。统计分析

分析了先前提出的阶乘设计考虑的因素为轻微扰动(是或否)和严重扰动(是或否)(Hilker et al ., 2016;Szymczak et al ., 2020)。实验设计包括一个嵌套设计,重复种植板块被嵌套在三个复制的孵化器。因此,阶乘设计安装一个嵌套的设计(板嵌套到复制孵化器)在线性混合效应模型(lme)。该模型适合使用软件R (R核心团队,2013年)和包nlme (ibsen Pinheiro和贝茨,2000年)。一些数据不符合正常(尽管我们测试box-cox最佳的转换),因此,模型分析了健壮的方差分析(rANOVA)使用R包Rfit (Hettmansperger麦克基恩,2010)。的p值被Benjamini-Hochberg调整(BH)错误发现率过程以减少错误的机会Benjamini和业务,1995年)。

个人反应分离的真菌组合和热治疗单变量数据分析(rANOVA),在一个孤立的互惠效应分析了同伴压力作为多元数据(二元双和小三种组合)。分析了二元和小数据通过置换多元方差分析(perMANOVA)使用R包素食(安德森,2017;Oksanen et al ., 2019)。我们也分析了数据作为一个阶乘关注每个隔离并考虑除了热治疗公司菌株作为一个因素,即。轻微的扰动(是或否)和严重扰动(是或否)和公司应变(组合)。这提供一般了解焦隔离的增长率总体变化时发展成对或三胞胎。我实验,我们也绘制一个和弦图来表示当公司应变变化的响应焦应变相比,控制(根据rANOVA结果)。

两个物种的组合散射绘制可视化加热治疗上对物种的影响同时,虽然个人的反应隔离被箱形图可视化。有三个物种组合,三元数据可视化的图形绘制使用R包ggternary (2018年汉密尔顿和渡轮),还盒子情节关注个体隔离,允许一般比较的两个实验(双或三胞胎)。

3所示。结果

3.1。我(物种对实验)

六组真菌隔离第一次测试(图1)。co-cultivation以响应的影响热治疗要么是负的(一个或两个菌株的生长减少后加热治疗),中性(不影响分离的增长),或使便利的(一个或两个隔离增长率增加热事件)后,根据对。

每个组合的控制相比,四双温和加热后改变了交互,所有15个组合反应强烈的加热和三个反应同时加热事件(女士图1,perMANOVAp< 0.05)。观察散点图(图1和补充图3),温和加热事件没有明显影响co-cultivation增长率的隔离(例如,np06-np07组合)。另一方面,一些隔离后变得更热事件,控制相比,没有这样的热事件。举个例子,有一个增长的转变np06-np16组合,自np06增长率降低后的强劲和mild-strong加热事件控制相比,虽然np16的增长率增长强劲和mild-strong加热事件后相比控制(图1,2,3所示。1)。此外,一些隔离被强烈的热事件严重影响,导致经济增长率的变化组合(图1和补充图2)。例如,隔离p02 co-cultivated np07有增长率约170毫米²一天¹在控制,但是率减少到少于100毫米²一天¹在强烈的热事件。同时减少,隔离np07翻了一番增长率小于50毫米²一天¹控制在50 - 150毫米²一天¹热处理后(图1,2,3所示。2)。

当比较单独隔离,这些变化更明显,一些真菌的生长响应热事件取决于伴生真菌的存在(图1,细节补充图3,4和补充表1)。例如,np06并不影响轻微,坚强,和mild-strong热事件当这个隔离种植与菌株对np07或p05;然而,一些热影响观察当这株菌株p02配对,np16或第9 - (图1,3所示。3,3所示。4)。在另一个例子,p02搭配np16,隔离p02稳定发展独立的热处理。然而,当搭配隔离p05, np07或第9 - (图1,3所示。5),隔离p02有很强的增长率减少强烈的热事件后,相对于经济增长的控制。

共培养的积极作用是观察到在某些情况下,例如,第9 -越来越多的组合与np06和p02 (图1,3所示。6),改善了增长后热事件(轻度或强烈),控制相比,并没有发生在其他任何组合(图1,细节补充图3和补充表1)。令人惊讶的是,隔离,启动能力在前面研究失去了生长在组合时从中受益的能力(补充表1)。只有隔离np06,没有启动能力仅在前面的研究越来越多(Szymczak et al ., 2020),显示priming-like行为在本研究配合隔离np16 (补充图4和补充表1)。

策划每个孤立的数据(图2一个)和分析也真菌对组合因子(图2 b),显示所有隔离遭受干扰公司的压力,而热影响变量根据每个隔离(图2)。

3.2。实验二(三)

六个真菌隔离被测试在三胞胎在20个随机组合(图4,5和补充图5)。热事件改变了隔离的增长模式组合。为例,结合1 p02-np06-p32三联体的隔离p02增长率很大程度上抑制了强大而mild-strong热事件与控制(图3.7,4.1)。类似的效果观察结合3 np07-np06-p02 (图3.8,4.3),然而,抑制强度弱为例。在其他组合,热事件没有隔离的交互影响。np07-np06-p05为例,结合14日,所有的隔离没有改变增长模式(图4.14)。

令人惊讶的是,反复加热的交互事件的发生(mild-strong)更频繁地观察三胞胎的双(图4),10个重大事件观察20个组合,50% (perMANOVAp< 0.05)。双(图1),只有五个重大事件观察15组合,33% (perMANOVAp< 0.05)。

在分析数据时考虑到真菌的三重组合作为一个因子(图5),结果是稍微不同的菌株生长时对(图2)。例如,三胞胎,温和的治疗方法是统计上显著的在所有的隔离,而对于双只有一半的隔离(rANOVAp< 0.05)。然而,在这两个对三胞胎,效果很明显,总有一个焦点上的真菌组合隔离(rANOVA增长率p< 0.01),而热影响变量根据隔离(图2,5和补充图4,5)。在所有隔离,p02是最与其他分离之间的互动。这隔离其他隔离的热响应的影响,也受到其他隔离(图2,5和补充表1)。这种隔离是最高的增长率(补充图2),因此,它有可能最好的优势竞争空间。然而,我们的数据显示,这种孤立潜在优势被孤立应对挑战不同的温度处理,由一对和调制的三重组合。

4所示。讨论

我们实验测试的假设物种相互作用可以调节真菌物种的反应能力,例如,通过影响他们对加热和启动(Rillig et al ., 2015;其et al ., 2021)。我们发现支持这一假说以来几个真菌分离株有不同的响应热事件当co-cultivated成对的不同分离株或三元组。

这里,我们测试这个假说co-cultivating真菌分离株生长在温和的和强烈的温度应力的组合治疗成对和三胞胎。在先前的研究中,我们使用的隔离是显示有不同的响应热应激事件在单一栽培种植和一些隔离了热应力启动响应(Szymczak et al ., 2020)。在我们的新研究中,真菌反应循环热应力调制也显示了co-cultivation和真菌隔离交互(图2,3)。然而,令人惊讶的是,以前的隔离能力启动加热治疗(即相同。、p02 p05和第9Szymczak et al ., 2020)没有特殊的生长优势mild-strong温度处理后与其他菌株co-cultivated。此外,co-cultivation使热影响更加复杂和难以预测,因为隔离显示不同的反应温度的治疗根据公司不同的真菌或当发展成对或三胞胎(图2,4)。

物种的变化以应对环境压力,如温和的和强大的温度应力,可以改变真菌在至少四个方面的相互作用。首先,温度变化可以改变真菌的竞争对手之间的竞争层次结构(Crowther et al ., 2012;Hiscox et al ., 2016)。第二,宽容为竞争力改变温度可以交易,结果权衡构建社区和可能导致物种共存Kneitel和追逐,2004;梅纳德et al ., 2019)。此外,抗压力和竞争力之间的权衡可以进一步调制通过物种特定的反应,例如,启动。例如,第三,竞争物种的存在可以改变焦点物种的能力来表达启动(Rillig et al ., 2015;其et al ., 2021)。第四,另外,竞争对手的存在可以改变焦点物种的能力得益于其起动能力,即使启动能力保持不变。后两个可能性是难以区分实验,尽管先前的研究已经表明他们潜在的重要性(Rillig et al ., 2015;其et al ., 2021)。

之间虽然目前的实验不能解决基层机制调节热响应,我们清楚地显示的局限性做出预测温度应力的影响,例如,热浪,通过研究真菌物种的反应变得单一栽培(Szymczak et al ., 2020)。事实上,在自然土壤真菌生长在社区,因此,它的高相关性,我们的研究结果清楚地表明,焦真菌隔离增长反应温度应力由公司调制真菌隔离。

一些机制调节热响应可以推测。焦隔离可以改善增长下热处理通过热适应性相对高于其竞争对手(如热生成一个对手释放),或渗出液和co-cultivated竞争对手的干扰机制可以增加启动能力和热焦隔离的宽容。相反的方向(即。,reduced growth rates in co-cultivation and heat stress), it is plausible that the adverse effects of competition and heat stress simply summed up, reducing their growth rate. Additionally, the metabolism of focal isolates could be affected by the presence of a co-cultivated fungus in such a way that prevented the focal fungus from optimally reacting to the heat event. In the previous study (Szymczak et al ., 2020),作者建议,热应力引起的代谢变化可能包括减少增长的压力,因为之后的使用能源和资源调整膜和碳通量或改变状态过渡到休眠或孢子形成(Morano et al ., 2012;- et al ., 2015)。在我们目前的研究中,隔离可能诱发的co-cultivation隔离的资源的竞争,也促使其他物种相互作用,如便利,可能会导致进一步的代谢热应激反应的变化。

不管其他社区成员的方向和机制影响焦点物种非生物胁迫下的性能,这种交互添加一个新层复杂性下真菌群落组装与生态气候变化。这些发现是重要的生态模型,考虑真菌生长和多样性产生输出基于数据在恒定温度和基于单一栽培。进一步的实验设计和建模工作不仅要考虑热脉冲同时也可能的生物有机体生长在社区的互动(Rillig et al ., 2015;其et al ., 2021)。

5。结论

总之,循环热事件和物种相互作用影响焦真菌分离株的生长和真菌的相互作用对三胞胎。我们发现环境条件不仅影响真菌相互作用和增长率,但不同的真菌可以影响真菌的co-cultivation响应反复出现的热事件。这些结果表明,需要更复杂的实验设计来更好地理解影响的循环热事件和气候变化对土壤真菌。

数据可用性声明

原始数据支持了本文的结论是可用的补充材料。进一步调查应该指向相应的作者。

作者的贡献

作为研究和设计了先生。进行了实验。DL分析数据。DL和MB起草了手稿。所有作者回顾和导致了最终版本。

资金

这项研究是由德国研究基金会(DFG),项目编号:190578797。我们承认支持开放获取出版计划的柏林自由大学。

确认

作者感谢参与合作研究中心(CRC) 973年“的有机反应的启动和内存压力”(https://www.sfb973.de脱硫项目编号:190578797)。作者感谢Rillig实验室成员建议实验,包括朱利安罗伊和Masahiro亮也穆罕默德Akif侯赛因的技术支持。

的利益冲突

作者声明,这项研究是在没有进行任何商业或财务关系可能被视为一个潜在的利益冲突。

出版商的注意

本文表达的所有索赔仅代表作者,不一定代表的附属组织,或出版商、编辑和审稿人。任何产品,可以评估在这篇文章中,或声称,可能是由其制造商,不保证或认可的出版商。

补充材料

本文的补充材料在网上可以找到:https://www.雷竞技rebatfrontiersin.org/articles/10.3389/fevo.2022.1028136/full补充材料

引用