I och runt de trassliga rötterna av skogsbotten, svampar och bakterier växer med träd, utbyta näringsämnen mot kol i ett stort, global marknadsplats. En ny ansträngning för att kartlägga de vanligaste av dessa symbiotiska relationer – som involverar mer än 1,1 miljoner skogsplatser och 28, 000 trädarter – har avslöjat faktorer som avgör var olika typer av symbionter kommer att blomstra. Arbetet kan hjälpa forskare att förstå hur symbiotiska partnerskap strukturerar världens skogar och hur de kan påverkas av ett värmande klimat.

Forskare vid Stanford University arbetade tillsammans med ett team på över 200 forskare för att skapa dessa kartor, publicerad 16 maj i Natur . Från arbetet, de avslöjade en ny biologisk regel, som laget döpte till Read's Rule efter pionjären inom symbiosforskningen Sir David Read.

I ett exempel på hur de skulle kunna tillämpa denna forskning, gruppen använde sin karta för att förutsäga hur symbioser kan förändras till 2070 om koldioxidutsläppen fortsätter oförminskat. Detta scenario resulterade i en 10-procentig minskning av biomassan för trädarter som associeras med en typ av svampar som främst finns i kallare områden. Forskarna varnade för att en sådan förlust kan leda till mer kol i atmosfären eftersom dessa svampar tenderar att öka mängden kol som lagras i marken.

"Det finns bara så många olika symbiotiska typer och vi visar att de följer tydliga regler, sa Brian Steidinger, en postdoktor vid Stanford och huvudförfattare till artikeln. "Våra modeller förutsäger massiva förändringar av det symbiotiska tillståndet i världens skogar - förändringar som kan påverka den typ av klimat dina barnbarn kommer att leva i."

Tre symbioser

Dold för de flesta observatörer, dessa samarbeten mellan rikena mellan mikrober och träd är mycket olika. Forskarna fokuserade på att kartlägga tre av de vanligaste typerna av symbioser:arbuskulära mykorrhizasvampar, ektomykorrhizasvampar och kvävefixerande bakterier. Var och en av dessa typer omfattar tusentals arter av svampar eller bakterier som bildar unika partnerskap med olika trädarter.

Trettio år sedan, Read ritade kartor för hand över var han trodde att olika symbiotiska svampar kunde vistas, baserat på de näringsämnen de tillhandahåller. Ektomykorrhizasvampar matar träd kväve direkt från organiskt material - som ruttnande löv - så, han friade, de skulle vara mer framgångsrika på svalare platser där nedbrytningen är långsam och lövströ är rikligt. I kontrast, han trodde att arbuskulära mykorrhizasvampar skulle dominera i tropikerna där trädtillväxten begränsas av markfosfor. Forskning av andra har lagt till att kvävefixerande bakterier verkar växa dåligt i kalla temperaturer.

Att testa Reads idéer fick vänta, dock, eftersom bevis krävde insamling av data från ett stort antal träd i olika delar av världen. Den informationen blev tillgänglig med Global Forest Biodiversity Initiative (GFBI), som undersökte skogar, skogar och savanner från alla kontinenter (utom Antarktis) och ekosystem på jorden.

Teamet matade platsen för 31 miljoner träd från den databasen tillsammans med information om vilka symbiotiska svampar eller bakterier som oftast associerar med dessa arter till en inlärningsalgoritm som bestämde hur olika variabler som klimat, markkemi, vegetation och topografi verkar påverka förekomsten av varje symbios. Från detta, de fann att kvävefixerande bakterier troligen begränsas av temperatur och markens surhet, medan de två typerna av svampsymbioser är starkt påverkade av variabler som påverkar nedbrytningshastigheten - den hastighet med vilken organiskt material bryts ner i miljön - som temperatur och fukt.

"Det här är otroligt starka globala mönster, lika slående som andra grundläggande globala biologiska mångfaldsmönster där ute, sa Kabir Peay, biträdande professor i biologi vid Institutionen för humaniora och vetenskap och senior författare till studien. "Men före dessa hårda uppgifter, kunskap om dessa mönster var begränsad till experter på mykorrhiza- eller kvävefixerande ekologi, även om det är viktigt för ett brett spektrum av ekologer, evolutionära biologer och jordforskare."

Även om forskningen stödde Reads hypotes - att hitta arbuskulära mykorrhizasvampar i varmare skogar och ektomykorrhizasvampar i kallare skogar - var övergångarna mellan biomer från en symbiotisk typ till en annan mycket mer abrupt än förväntat, baserat på de gradvisa förändringar i variabler som påverkar nedbrytningen. Detta stöder en annan hypotes, forskarna trodde:att ektomykorrhizasvampar förändrar sin lokala miljö för att ytterligare minska nedbrytningshastigheten.

Denna återkopplingsslinga kan hjälpa till att förklara varför forskarna såg en 10-procentig minskning av ektomykorrhizala svampar när de simulerade vad som skulle hända om koldioxidutsläppen fortsatte med oförminskad temperatur till 2070. Uppvärmning av temperaturer kan tvinga ektomykorrhizasvampar över en klimatisk vändpunkt, utanför intervallet av miljöer som de kan ändra efter eget tycke.

Kartläggning av samarbete

Datan bakom denna karta representerar riktiga träd från mer än 70 länder och samarbete, ledd av Jingjing Liang från Purdue University och Tom Crowther från ETH Zürich, mellan hundratals forskare som talar olika språk, studera olika ekosystem och möta olika utmaningar.

"Det finns mer än 1,1 miljoner skogsområden i datamängden och var och en av dem mättes av en person på marken. I många fall, som en del av dessa mätningar, de gav i princip trädet en kram, "sa Steidinger." Så mycket ansträngning - vandringar, svettas, fästingar, långa dagar - finns på den kartan."

Kartorna från denna studie kommer att göras fritt tillgängliga, i hopp om att hjälpa andra forskare att inkludera trädsymbionter i sitt arbete. I framtiden, forskarna avser att utöka sitt arbete bortom skog och att fortsätta försöka förstå hur klimatförändringar påverkar ekosystemen.