Celosvětový atlas výskytu hub

Houby hrají zásadní roli ve fungování naprosté většiny terestrických ekosystémů. Jak změna prostředí, např. klimatu, ovlivní jejich biogeografii? A jaké důsledky by mohla tato změna mít pro naši společnost?

Pravděpodobně nejznámější je nenahraditelný podíl hub na rozkladu organické hmoty (ať už rostlinné, nebo živočišné), což z nich činí důležité hráče v globálním koloběhu uhlíku i ostatních prvků. Významná je také role hub jako symbiotických organismů. Většina vyšších rostlin (přibližně 80 % druhů včetně většiny dřevin a zemědělských plodin) přijímá velkou část minerálních živin a vody prostřednictvím mykorhizních hub, žijících v symbióze s kořeny. Rostliny jim na oplátku poskytují organické látky, které tvoří při fotosyntéze. Mykorhizní houby také pomáhají lesním stromům ukládat uhlík z atmosféry do půdy. Na druhou stranu řada druhů hub patří mezi patogeny rostlin a způsobují velké ztráty v celosvětové produkci potravin i v lesním hospodářství. Rovnováha mezi patogenními a mykorhizními houbami tedy významně ovlivňuje jak zemědělskou produkci, tak složení většiny rostlinných společenstev.

Řadu houbových biochemických procesů lidstvo využívá k výrobě potravin, léčiv, biopaliv a dalších komodit. Velká diverzita hub, u nichž se počet druhů na Zemi odhaduje na 2–4 miliony, skrývá v tomto ohledu ohromný, dosud nevyužitý potenciál.

Je proto prvořadým cílem současného výzkumu pochopit, jaké faktory ovlivňují globální diverzitu hub, globální rozšíření významných funkčních skupin i jednotlivých druhů.

Pokud se řekne houba, většině Čechů se pravděpodobně vybaví nějaký pěkný hříbek, za kterým se v průběhu houbařské sezony vydáváme do lesa. I když jsme často překvapeni pestrostí plodnic, které v lesích rostou, touto představou bychom druhovou pestrost hub jen těžko pokryli. Je to zejména proto, že většina druhů žije skrytě, například v půdě, a plodnice tvoří buď pod zemí, nebo vůbec.

Muchomůrka červená (Amanita muscaria) je ikonická jedovatá houba, ani zdaleka však není nejjedovatější.

Šiškovec černý (Strobilomyces strobilaceus) je příkladem mykorhizní houby, jejíž výskyt je omezen na oblasti s úzkým rozsahem průměrných ročních teplot.Snímek Tereza Vlková

Genetické čárové kódy

Lokální diverzita hub bývá mnohdy ohromující, v jednom gramu půdy se může najednou vyskytovat několik set druhů. Naprostá většina z této druhové bohatosti však zůstávala donedávna člověku skryta. Zlom přineslo až zavedení molekulárních metod detekce organismů, a především moderních metod masivního paralelního sekvenování (High Througput Sequencing, HTS), při kterém se k určování druhů využívá sekvenace ribozomální DNA získané ze studovaného vzorku.

Geneticky variabilní oblast ribozomální DNA si můžeme představit jako specifický čárový kód, jehož vzor je pro každý druh unikátní. Díky těmto metodám je v dnešní době možné a finančně dostupné získat téměř kompletní seznam druhů hub vyskytujících se v určitém vzorku půdy či v jiném substrátu, který je houbami kolonizován (listy či kořeny rostlin, sediment či voda z řek a jezer, lesní opad či tlející dřevo). Za poslední desetiletí tak vědci z různých koutů světa obohatili současné znalosti o rozšíření hub a jejich ekologii v širokém spektru ekosystémů.

Hromadění sekvenačních dat ze studií využívajících metody HTS však nabízí potenciál k ještě zajímavějšímu výzkumu. Díky relativně jednotné metodice, kterou většina vědeckých skupin po celém světě využívá, se nabízí možnost tato data sjednotit, a tím vytvořit bezprecedentní soubor údajů o globálním výskytu jednotlivých druhů. Každá sekvence funguje jako pozorování daného druhu houby v dané lokalitě a za daných podmínek, jejich souhrn tedy umožňuje vytvořit celosvětový atlas rozšíření hub. Právě této snaze se v posledních letech za podpory Grantové agentury ČR věnuje naše Laboratoř environmentální mikrobiologie Mikrobiologického ústavu AV ČR.

Metaanalýza

Na základě podrobné rešerše publikovaných vědeckých prací jsme vybrali téměř sedm desítek studií, které využily metod HTS k popisu složení společenstev hub v půdách řady ekosystémů v různých částech světa. Celkem se podařilo shromáždit údaje z tří tisíc vzorků obsahujících více než 66 milionů sekvencí, tedy jednotlivých údajů o výskytu konkrétního druhu houby v konkrétní lokalitě. Většina z těchto vzorků pochází z lesních ekosystémů, významný podíl však náleží i vzorkům z pouštních, travinných a křovištních oblastí. Zastoupeny jsou vzorky od tropů až po severské oblasti tundry (obr. 2).

Geografická distribuce vzorků půdy, ve kterých bylo pomocí metod masivního paralelního sekvenování popsáno složení společenstva hub.

Tento soubor dat jsme využili k zodpovězení několika základních otázek o výsyktu hub na Zemi: Jak je výskyt nejběžnějších druhů a nejdůležitějších ekologických skupin hub (např. patogenních, saprotrofních, mykorhizních) ovlivněn podmínkami prostředí? Jaké jsou globální trendy druhové diverzity hub? A kde je možné očekávat její nejvyšší hodnoty?

Relativní podíl vlivu různých složek prostředí na výskyt a rozšíření jednotlivých druhů hub.

Výsledky ukazují, že na rozšíření jednotlivých druhů mají zdaleka největší vliv klimatické faktory (reprezentované jak teplotou, tak srážkami), dále půdní chemismus a produktivita vegetace (obr. 3). V rámci klimatických parametrů hraje větší roli teplota, ačkoli vliv srážek je rovněž významný. Vezmeme-li v úvahu probíhající změny klimatu a jejich předpokládaný vývoj, je zřejmé, že rozšíření většiny druhů hub bude v budoucnu procházet významnými změnami, které zatím nejsme schopni plně předpovídat. Základní problém spočívá v odlišném vlivu klimatu na rozšíření různých druhů. Je velmi pravděpodobné, že houby reagují i na jednotlivé klimatické extrémy, například dlouhá období sucha.

Patogeny ve výhodě

Podstatně znepokojivější obrázek nabízejí údaje o vlivu klimatu na výskyt různých ekologických skupin hub. Ukazuje se, že výskyt mykorhizních druhů, které zprostředkovávají příjem minerálních živin většiny rostlin a zvyšují odolnost svých hostitelů proti abiotickému stresu i proti patogenům, je obvykle omezen na úzké rozmezí klimatických podmínek, ať už teplotních, či srážkových. Jiné skupiny včetně patogenních druhů mají k teplotě a množství srážek daleko větší toleranci (obr. 4). Zatímco u 453 nejběžnějších druhů mykorhizních hub je obvyklé rozmezí průměrných ročních teplot, které tolerují, zhruba 5 °C, mezi 160 druhy rostlinných patogenů je to 9 °C.

Rozpětí klimatických nik (teploty na horním a srážek na dolním grafu) v rámci různých ekologických skupin hub. Boxy označené různými písmeny se statisticky významně liší. Úsečka uvnitř boxu odpovídá mediánu, horní a spodní hranice boxu odpovídají třetímu a prvnímu kvartilu.

V přirozených podmínkách jsou růst rostlin a složení vegetace řízeny vyváženým vlivem mykorhizních a patogenních hub. Patogenní houby negativně ovlivňují růst napadených rostlin, zatímco mykorhizní houby přispívají nejen k příjmu živin rostlinami, ale zprostředkovávají i propojení rostlin společným mykorhizním myceliem, skrze které si rostliny mohou vyměňovat živiny či informace o napadení patogeny, a tím zvyšovat obranyschopnost celého rostlinného společenstva. V případě, že se poměr zastoupení patogenních a mykorhizních hub kvůli klimatickým změnám posune směrem k první skupině, může dojít k ohrožení řady zemědělských plodin i hospodářsky významných dřevin. Lze tedy bohužel očekávat, že např. kůrovcové kalamity či jiná velkoplošná odumírání porostů nebo zemědělských kultur budou stále častější.

Další překvapivé závěry výzkumu nabízí identifikace oblastí s nejvyšší biodiverzitou hub. Jedno z učebnicových pravidel současné ekologie říká, že nejvyšší počet druhů se nachází v rovníkových oblastech, odkud se směrem k pólům snižuje. Negativní závislost diverzity a vzdálenosti od rovníku byla popsána na řadě skupin živočichů i rostlin a díky silné vazbě řady druhů hub na rostliny se v minulosti usuzovalo, že diverzita hub by mohla úzce sledovat druhové bohatství rostlin. Až donedávna však nebylo o diverzitě mikroorganismů, bakterií a hub prakticky nic určitého známo. Naše výsledky ukazují, že řada hub je kosmopolitních, díky snadnému šíření spor rostou po celé Zemi všude tam, kde nacházejí vhodné klimatické podmínky, a rozdělení do biogeografických zón pro ně neplatí. Na rozdíl od rostlin či živočichů není druhová bohatost hub v tropech nikterak vysoká, v řadě tropických oblastí je tomu spíše naopak: druhově nejchudší oblasti jsme identifikovali právě v rovníkových oblastech. Na druhou stranu se zdá, že v mírných oblastech diverzita hub významně kolísá mezi různými regiony, přičemž nejvyšší diverzity dosahují houby spíše ve vyšších zeměpisných šířkách (obr. 5).

Předpokládaná druhová bohatost hub ve standardizovaném vzorku půdy na základě globálního modelu diverzity.

Výsledky naší studie jasně ukazují na význam klimatu pro rozšíření hub na naší planetě. V současné době se často probírá téma přizpůsobení plodin či lesních porostů budoucímu klimatu, například přechodem na pěstování rostlin tolerujících vyšší teploty či sucho. Zdá se, že symbiotické mykorhizní houby jsou další významnou skupinou organismů, která může být změnami klimatu ohrožena, a jejich ekologii by proto měla být věnována zvýšená pozornost. Naše práce také ukazuje na důležitost globalizace výzkumu, sdílení dat a jejich opětovného využití. Právě díky těmto faktorům se podařilo odhalit vztahy mezi houbami a jejich prostředím.

Ektomykorhizní kolonizace kořene borovice lesní.Snímek Petr Kohout