Maksimal entropi modellering af distributionsområdet for Morchella Dill. Eks Pers. Arter i Kina under skiftende klima, del 1

Enkel oversigt:Klimaændringer har altid været en mærkbar faktor i forskningen i arternes udbredelse. I de seneste årtier er arternes levesteder gradvist blevet ødelagt på grund af det skiftende klima. Således at forudsige, hvordan klimaændringer vil påvirke overlevelsen og egnede levesteder for vild Morchella Dill. ex Pers. arter i Kina, brugte vi en maksimal entropimodel til at simulere ændringerne i dets udbredelsesområde fra historiske perioder til fremtidige perioder. Vores resultater illustrerer, at nedbør, højde og temperatur er uundværlige faktorer, der påvirker tilstedeværelsen og egnede levesteder for vilde Morchella-arter. Desuden viste denne forskning os en lovende tendens, at uanset hvilket scenarie, vil det egnede område af arten snart stige til en vis skala. Baseret på disse resultater kunne vi udforske og designe en optimal ordning for bevarelse af vilde Morchella-ressourcer.

Glycoside af cistanche kan også øge aktiviteten af ​​SOD i hjerte- og levervæv og signifikant reducere indholdet af lipofuscin og MDA i hvert væv, hvilket effektivt fjerner forskellige reaktive iltradikaler (OH-, H₂O₂ osv.) og beskytter mod DNA-skader forårsaget af OH-radikaler. Cistanche phenylethanoid glycosider har en stærk opfangningsevne af frie radikaler, en højere reducerende evne end C-vitamin, forbedrer aktiviteten af ​​SOD i spermsuspension, reducerer indholdet af MDA og har en vis beskyttende effekt på spermmembranfunktionen. Cistanche-polysaccharider kan øge aktiviteten af ​​SOD og GSH-Px i erytrocytter og lungevæv fra eksperimentelt senescent mus forårsaget af D-galactose, samt reducere indholdet af MDA og kollagen i lunge og plasma, og øge indholdet af elastin, har en god rensende effekt på DPPH, forlænge hypoksitiden hos senescent mus, forbedre aktiviteten af ​​SOD i serum og forsinke den fysiologiske degeneration af lunge hos eksperimentelt senescerende mus Med cellulær morfologisk degeneration har forsøg vist, at Cistanche har den gode antioxidantevne og har potentialet til at være et lægemiddel til at forebygge og behandle hudaldringssygdomme. Samtidig har echinacosid i Cistanche en betydelig evne til at opfange DPPH-frie radikaler og har evnen til at opfange reaktive oxygenarter og forhindre frie radikal-induceret kollagen-nedbrydning, og har også en god reparationseffekt på anionskader af thymin frie radikaler.

Klik på Fungerer Cistanche for antioxidant

【For mere information:george.deng@wecistanche.com / WhatApp:86 13632399501】

Abstrakt: Morchella is a kind of precious edible, medicinal fungi with a series of important effects,  including anti-tumor and anti-oxidation effects. Based on the data of 18 environmental variables and the distribution sites of wild Morchella species, this study used a maximum entropy (MaxEnt) model to predict the changes in the geographic distribution of Morchella species in different historical periods (the Last Glacial Maximum (LGM), Mid Holocene (MH), current, 2050s and 2070s). The results revealed that the area under the curve (AUC) values of the receiver operating characteristic curves of different periods were all relatively high (>0.83), hvilket indikerer, at resultaterne af den maksimale entropimodel er gode. Artsfordelingsmodellering viste, at de vigtigste faktorer, der påvirkede den geografiske fordeling af Morchella-arter, var nedbøren i det tørreste kvarter (Bio17), højden, middeltemperaturen i det koldeste kvarter (Bio11) og den årlige middeltemperatur (Bio1). Simuleringen af ​​geografisk fordeling antydede, at Morchellas nuværende passende habitat hovedsageligt var placeret i Yunnan, Sichuan, Gansu, Shaanxi, Xinjiang Uygur Autonome Region (XUAR) og andre provinser i Kina. Sammenlignet med nuværende tider faldt det egnede område i det nordvestlige og nordøstlige Kina i LGM- og MH-perioderne. Hvad angår de fremtidige perioder, steg de egnede habitater alle under de forskellige scenarier sammenlignet med dem i nutidige tider, hvilket viser en tendens til udvidelse til det nordøstlige og nordvestlige Kina. Disse resultater kunne give et teoretisk grundlag for beskyttelse, rationel udnyttelse og udnyttelse af vilde Morchella-ressourcer under scenarier med klimaændringer.

1. Introduktion

Klimaændringer er en miljøfaktor, som alle organismer på Jorden hele tiden skal stå over for. Med det skiftende klima ændres også arternes geografiske geografiske udbredelse og udbredelsesområder. I de senere år har globale klimaændringer resulteret i skift i levestederne for forskellige arter og endda udryddelse af nogle arter [1,2]. Forskning har vist, at nogle arter vil flytte til højbredde- og højdeområder to til tre gange hurtigere i fremtiden [3]. Videnskabelig evaluering og forudsigelse af klimaændringernes indvirkning på artsfordeling og biodiversitet har således tiltrukket sig stor opmærksomhed [4]. For at forstå forskellige arters skiftende karakteristika under fremtidige klimaforhold er forskning i forholdet mellem arter og klima meget påtrængende.

En mulig løsning er at bruge artsfordelingsmodellen (SDM). SDM er en vigtig metode til analyse af ændringer i arternes udbredelsesområde, og den er meget brugt i biogeografiske undersøgelser. I de senere år er brugen af ​​artsfordelingsmodeller til at forudsige den reelle og potentielle udbredelse af truede arter [5], sjældne arter [6] og invasive arter [7] blevet en hotpot inden for økologi. I forskningen i artsfordeling kan klima, jordbund og andre faktorer (såsom arters vandringsevne) i nogen grad påvirke arternes geografiske udbredelse [8]. Kombineret med artsfordelingsdata og miljøfaktorer projicerer SDM disse data til et bestemt geografisk rumligt område, og det estimerer også artens egnede regioner til overlevelse og deres levemiljøpræferencer [9-11]. De SDM'er, der nu er tilgængelige, omfatter BIOCLIM, den økologiske nichefaktoranalyse (ENFA), den generaliserede lineære model (GLM), den Bayesianske tilgang (BA), genetiske algoritmer (GA'er) og MaxEnt [12]. Blandt disse bruger MaxEnt de faktiske tilstedeværelsesdata for arter og de tilsvarende miljøvariable til at beregne den ideelle tilstand for artsfordeling under visse nichebegrænsninger, det vil sige den mulige fordeling af arter i det forudsagte område, når entropien er maksimal. Denne model adskiller sig fra andre modeller i kravet om data for artsfordelingssteder, indstilling af modelparametre og håndtering af miljøvariable [13,14]. De fleste modeller har brug for tilstedeværelse og fravær af artsfordeling; MaxEnt er dog kun afhængig af rigtige eksisterende websteder [15]. Sandsynlighedsfordelingen af ​​MaxEnt har en kortfattet matematisk definition, som er let at analysere. For eksempel, som med GLM og GAM, gør modellens additivitet det muligt at fortolke, hvordan hver variabel forholder sig til egnethed i fravær af interaktioner mellem variabler [16]. Samtidig er forudsigelsesnøjagtigheden af ​​MaxEnt-modellen så høj, at den kan afspejle sandsynligheden for forekomsten af ​​arter korrekt til en vis grad under omstændighederne med lille prøvestørrelse [17].

I betragtning af MaxEnts overlegenhed har mange forskere publiceret en række væsentlige forskningsresultater ved hjælp af MaxEnt, som giver et meget værdifuldt teoretisk grundlag til forskellige områder, såsom forvaltning af invasive arter, beskyttelse af biodiversitet og udvælgelse af arter, der lever miljøforhold . MaxEnt kan ikke kun bruges til planter og dyr, men den kan også bruges til svampe. Sun et al. brugte MaxEnt til at simulere det passende levested for kæmpepandaer og forklarede arternes reaktioner på miljøvariabler i forskellige skalaer [18]. Liu et al. simulerede udbredelsen af ​​Houttuynia cordata Thunb (Ceercao) under de nuværende klimaforhold og forudsagde dens potentielle geografiske udbredelsesændringer, og resultaterne afslørede, at området med passende habitat i Ceercao faldt under tre scenarier for drivhusgasemissioner i 2050'erne og 2070'erne [19]. Yuan et al. forudsagde den potentielle fordeling af Phellinus bauxit Pilát, Phellinus Ignatius (L.) Quél. og Phellinus vaninii Ljub. og fandt, at nøjagtigheden af ​​resultaterne var høj [20].

Morchella er en gruppe vigtige svampe, der tilhører Morohellaceae af Ascomycotina, som er vidt udbredt på den nordlige halvkugle. På grund af dens rige ernæring og medicinske værdier indtager Morchella-arter en plads i de mest dyrebare spiselige svampe og tiltrækker opmærksomhed fra mange mykologer [21]. De naturlige bioaktive komponenter [22], såsom polysaccharider, proteiner og lipider, ekstraheret fra Morchella spiller en væsentlig rolle i sygdomsforebyggelse, herunder immunregulering [23], antitumoraktiviteter [24] og antioxidationsaktiviteter [25 ]. Molekylær fylogenetiske undersøgelser har vist, at Morchella kan opdeles i tre evolutionære hovedklader, nemlig Yellow Morchella, Black Morchella og Red Morchella [26]. Østasien og Kina er de mulige differentierings- og mangfoldighedscentre for Morchella-arter. På nuværende tidspunkt er der registreret mere end tredive arter af Morchella i Kina [27], som er et af landene med de mest rigelige vilde Morchella-ressourcer.

Men overudnyttelse og ødelæggelse af levesteder udgør en alvorlig trussel mod artsdiversiteten af ​​vilde Morchella [28]; i mellemtiden er de specifikke krav og miljømæssige kvaliteter af Morchella-vækst længe blevet udelukket inden for mykologi [29]. Derudover har Taheri et al. [2] viste, at der var få undersøgelser af den geografiske række af svampe relateret til klimaændringer sammenlignet med planter og dyr. På nuværende tidspunkt er det stadig uklart, hvordan klimaændringer vil påvirke den geografiske fordeling af Morchella-arter i forskellige perioder. Denne undersøgelse har til formål at forudsige den potentielle fordeling af Morchella-arter under forskellige scenarier for historiske og fremtidige klimaer baseret på en MaxEnt-model. Formålet med denne undersøgelse er at analysere virkningen af ​​miljøfaktorer på dannelsen af ​​Morchella frugtlegemer og at simulere ændringerne i de potentielle udbredelsesområder for Morchella i de forskellige perioder. Det forventes, at resultaterne vil danne et videnskabeligt grundlag for biodiversiteten og bevarelsen af ​​vilde ressourcer i Morchella i fremtiden.

2. Materialer og metoder

2.1. Kilde til artsfordelingsdata

Forekomstdata for Morchella-arter blev indhentet fra feltundersøgelser og publicerede artikler; vi opnåede i alt 288 steder. Først blev gentagne placeringer kasseret, og derefter blev buffermetoden brugt. Den rumlige opløsning af miljøfaktorer var 2,5 bueminutter, og rumligt sammenfaldende datapunkter inden for 5 km fra hinanden blev kasseret, hvilket gjorde det muligt at undgå modeloverfitting forårsaget af duplikerede distributionssteder. Endelig blev i alt 180 steder af Morchella bibeholdt (figur S1 og tabel S1).

2.2. Miljøfaktoranskaffelse og forbehandling

I alt 19 miljøfaktorer (Bio1–Bio19, tabel 1) blev downloadet fra World Climate Database, og den rumlige fordeling var 2,5 bueminutter. I alt 2 terrænvariable og 7 jordbundsvariable (tabel 1) blev hentet fra Harmonized World Soil Database. Terræn- og jordbundsvariabler blev i fællesskab bestemt af Food and Agriculture Organization of the United Nations, International Institute for Applied Systems Analysis, Institute of Soil Science, Chinese Academy of Sciences og Europa-Kommissionens fælles forskningscenter. Den rumlige opløsning af disse data blev samlet til 2,5 bueminutter, og dataene blev alle transformeret til ASCII-format ved hjælp af ArcGIS 10.2. De potentielle fordelinger af Morchella blev vurderet over fem perioder, nemlig det sidste istidsmaksimum (LGM), Mid Holocæn (MH), nuværende, 2050'erne og 2070'erne. Både tidligere og fremtidige klimatiske data anvender CCSM4.0-modellen offentliggjort i IPCC's femte rapport; vi valgte tre forskellige scenarier for drivhusgasemissioner for de fremtidige perioder (tabel S2), og disse scenarier er defineret i henhold til den resulterende samlede strålingspåvirkning i 2100 [30].

For at undgå overtilpasning af resultaterne på grund af den høje kolinearitet af miljøvariabler [31], blev miljøvariablebidrag og korrelationsanalyser udført baseret på MaxEnt- og SPSS-programmer. Vi brugte MaxEnt 3.4.1-programmet til at analysere variablernes bidrag baseret på miljøvariabler og Morchellas distributionssteder, og vi indstillede gentagelserne til 10 gange. Dernæst blev oplysningerne om de miljømæssige faktorer af Morchella ekstraheret ved hjælp af ArcGIS 10.2, og en Pearson-korrelationsanalyse blev udført mellem miljøvariabler i SPSS 25 (figur 1). Kombineret med bidraget fra miljøfaktorer beholdt vi faktorer med korrelationskoefficienter under 0,8 omkring de seks øverste faktorer. Et par miljøfaktorer havde korrelationskoefficientværdier større end |0,8|, og kun én variabel med et højere bidrag blev bibeholdt og brugt i MaxEnt-modellerne [32,33]. Endelig blev der brugt 18 miljøfaktorer i modelleringen (tabel 1).

2.3. MaxEnt modelanalyse

2.3.1. Modelparametervalg

Udbredelsesstederne for Morchella-arter og 18 miljøfaktorer blev importeret til MaxEnt3.4.1-programmet til modelleringsanalyse. I alt 25 procent af distributionsdataene blev udvalgt tilfældigt som testsæt for at undersøge modellens nøjagtighed, og de resterende 75 procent blev brugt som træningssæt [34]. Vi kørte 10 bootstrap-replikater, hvis type var Subsample. Bortset fra dette var den valgte tærskel maksimal træningsfølsomhed plus specificitet, outputformatet var Cloglog, og de andre parametre blev tilbage som standard.

2.3.2. Evaluering af model og miljøvariable

AUC er et omfattende kriterium, der repræsenterer nøjagtigheden og specialiteten af ​​ROC. Det blev først introduceret i evalueringen af ​​artsfordelingsmodellens nøjagtighed i 1997 [35], og siden da er det blevet brugt til at evaluere modellernes præstationer. Værdien af ​​AUC varierer fra 0.5 til 1. Hvis værdien er tættere på 1, betyder det, at modellens forudsigelige præcision er højere. En AUC-værdi under 0.7 indikerer, at modellens simuleringseffekt er ringe; en AUC-værdi mellem 0.7 og {{10}}.8 indikerer, at modellens simuleringseffekt er moderat; en AUC-værdi mellem 0.8 og 0.9 indikerer, at simuleringseffekten af ​​modellen er god; og bestemt, når AUC-værdien er højere end 0,9, er simuleringseffekten fremragende [36]. Derudover leverer MaxEnt en Jackknife-metode til at analysere det relative bidrag og betydningen af ​​miljøvariabler på Morchella og til at bestemme de vigtigste miljøfaktorer.

2.3.3. Egnet regionsklassifikation

Ifølge vurderingen af ​​tilstedeværelsessandsynlighed i IPCC's femte rapport [37] omklassificerede vi det passende habitat for Morchella ved hjælp af Reclass-modulet i ArcGIS 10.2 med den naturlige segmentmetode. Morchellas habitat blev opdelt i fire grader ved hjælp af den naturlige segmentmetode: uegnet habitat (0 Mindre end eller lig med værdien Mindre end eller lig med 0.13), lavt egnet habitat ({{8} }}.13 < værdi mindre end eller lig med {{10}}.35), moderat egnet habitat (0.35 < værdi mindre end eller lig med 0.63) og høj egnet habitat (0,63 < værdi mindre end eller lig med 1).

2.3.4. Ændring i Morchellas distributionscenter

SDM-værktøjer er et GIS-værktøjssæt, der bruges til at analysere tyngdepunktsændringen i passende distributionsområder [38]. I denne undersøgelse blev SDM-værktøjer og de binært egnede områder af Morchella i forskellige perioder brugt til at beregne den geografiske placering af dets distributionscenter, hvilket illustrerer ruten for den tidsmæssige og rumlige udvikling af Morchella.

3. Resultater

3.1. Evaluering af modellens nøjagtighed

Som vist i AUC-værdien af ​​ROC-kurven, der drives af MaxEnt, var den gennemsnitlige AUC-værdi af træningsdataene for Morchella potentielle distributionsmodellen under tidligere klimatiske forhold {{0}}.907 , og den gennemsnitlige AUC-værdi af testdataene var 0.847; under den aktuelle periode var den gennemsnitlige AUC-værdi for træningsdataene 0,905, og middelværdien af ​​testdataene var 0,852; hvad angår de fremtidige perioder, var den gennemsnitlige AUC-værdi af træningsdataene 0,903, og middelværdien af ​​testdataene var 0,848 (tabel 2). I henhold til evalueringsstandarden for AUC-værdien er disse resultater gode og pålidelige.

3.2. Dominerende miljøfaktorer

Tabel 3 viser det relative bidrag fra modellering af miljøfaktorer. Bio17, elevation, Bio11 og Bio1 var de vigtigste miljøfaktorer, der påvirker Morchella-distributionen. I LGM, MH, nuværende og fremtidige perioder (2050'erne og 2070'erne) nåede de kumulative bidragssatser 75,8 procent , 79,9 procent , 70,6 procent , 74,6 procent , 77,5 procent , 74,6 procent, 76,8 procent, 74,0 procent og 80,0 procent. Bio17 påvirkede Morchella mest, og elevation og Bio11 var henholdsvis anden og tredje mest effektive faktorer, hvilket også havde stor betydning for sandsynligheden for Morchella-forekomst.

Baseret på enkeltfaktor-responskurverne blev indflydelsen af ​​dominerende faktorer på Morchella-tilstedeværelsessandsynlighed analyseret. De særdeles velegnede miljøbetingelser for overlevelsen af ​​Morchella var som følger: Bio17 var 11,32-77,78 mm, højden var 1480,78-3827,03 m, Bio11 var -5,98-9,32 ◦C, og Bio1 var 6,16-16,98 C (Figur ◦ 16,98).

3.3. Potentiel geografisk fordeling og evaluering af egnede områder i Morchella

3.3.1. Egnede områder i fortiden

Det egnede habitat i både LGM og MH faldt sammenlignet med det i den nuværende tidsalder. MaxEnt forudsagde, at det samlede egnede område af Morchella faldt med 12,43 procent i LGM, og at det høje egnede område faldt med 5,07 procent, hvilket hovedsageligt afspejledes i reduktionen i det passende område i den sydøstlige del af Gansu, centrum og syd for Shaanxi, og den nordlige del af Guizhou i Kina; det moderate egnede område faldt med 2,48 procent, hvilket blev forudsagt hovedsageligt at forekomme i XUAR og Nordkina; og det lave egnede område faldt med 4,88 procent, hovedsageligt i det nordøstlige Kina og nordvest for XUAR (figur S2 og tabel 4 og 5).

Hvad angår MH, var reduktionsområdet mindre end det i LGM. Der var en lille forskel i MH og strøm, som vi ikke klart kunne skelne i figurerne (figur S2 og S3). Flere detaljer om distributionsområdet er vist i tabel 4 og 5.

3.3.2. Egnede områder af aktuelle tider

Det kan ses i figur S3, at det egnede levested for Morchella er relativt omfattende under nutidige klimaforhold. Det samlede egnede habitatområde var ca. 405,8195 × 104 km2, svarende til 42,34 procent af Kinas territoriale areal (tabel 4 og 5). Det var stort set placeret i det sydvestlige og nordvestlige Kina og dækkede det nordlige Yunnan, det sydøstlige Tibet, Sichuan, det centrale og sydlige Shaanxi, det sydlige Shanxi, det nordlige Guizhou, det sydøstlige Gansu, det nordvestlige Xinjiang og nogle dele af Fujian.

【For mere information:george.deng@wecistanche.com / WhatApp:86 13632399501】