2022-10-28
最近,吉林农业大学李玉院士团队在《Journal of Fungi》和《diversity》发表系列文章“Fungal–Bacterial Networks in the Habitat of SongRong (Tricholoma matsutake) and Driving Factors of Their Distribution Rules”,“Ectomycorrhizospheric Microbiome Assembly Rules of Quercus mongolica in the Habitat of SongRong (Tricholoma matsutake) and the Effect of Neighboring Plants ”,从生态学角度阐述松茸分布与栖息地、宿主及气候等因素的相关性,其研究结果将为松茸等菌根食用菌的栽培驯化研究奠定基础,为菌根共生的生态学机制的研究提供依据。
研究背景
松茸(Tricholoma matsutake Singer)是一种著名食药用菌,同时作为外生菌根真菌在森林生态系统中发挥着重要的生态功能。因其独特的食、药用价值深受人们喜爱,而目前仍不能进行人工栽培,供需的矛盾使种质资源逐年减少,目前已为易危的状态。在我国,松茸野生种质资源主要分布在东北的黑龙江省,吉林省,西南地区的四川省,西藏自治区和云南省。松茸的生长发育受到栖息地土壤,宿主及气候因素等的影响,明晰松茸的分布与微生态因子的相关性将为种质资源的保育提供理论依据。然而,我们还不能完全理解每个因素的影响。因此,明确寄主和森林类型、松茸土壤生物因子及非生物因子,和气候因子的角色非常必要。
两篇文章立足于中国东北地区松茸栖息地,分别以松茸子实体发育前期和发育期的栖息地土壤和宿主植物蒙古栎的外生菌根为研究对象,采用高通量测序、生物信息学和统计学等方法相结合分析栖息地土壤和外生菌根中微生物群落及功能的变化规律,并分析其与土壤理化因子的相关性。
案例1
《Journal of Fungi》
影响因子:5.724
研究方法
本研究在松茸生长期6-7月和8-9月对三个采样点(蒙古栎纯林、蒙古白栎和杜鹃混交林和松茸国家级自然保护区)的土壤进行五点抽样法采样并进行DNA提取、高通量测序和土壤参数测定。 研究方法:土壤样品细菌、真菌群落多样性组成谱测序 测序区域:16S rRNA基因V3V4区测序;真菌ITS1基因测序 测序方法:Illumina NovaSeq测序 分析方法:QIIME 2
研究结果
首先,对三块样地土壤中细菌和真菌群落的研究表明,松茸子实体分布反映了其地下微生物分布。松茸生境土壤(混合林和松茸国家级自然保护区)和对照地土壤细菌和真菌群落明显分离。通过LEfSE分析发现三个样地中LDA值TOP50的细菌和真菌丰度存在差异。真菌和细菌群落的分布遵循少数优势属占较大相对丰度的规律。松茸生境土壤真菌优势属是Tricholoma。口蘑属丰度高的土壤细菌群落与口蘑属丰度低的土壤细菌群落存在差异。 三块取样地细菌群落的Alpha和Beta多样性分析、Venn图和物种组成热图 三块取样地真菌群落的Alpha和Beta多样性分析、Venn图、物种组成热图和功能分类热图 组间差异物种LEfSe分析 其次,分别用土壤理化条件和口蘑群落与土壤真菌和细菌群落组成进行关联分析,发现土壤理化因子中土壤PH、有机质、氮含量与细菌丰度具有显著相关性,土壤pH、有机质、钾含量、氮含量、磷含量与真菌丰度具有极显著相关性。除土壤理化因子外,通过土壤质地与微生物组成关联分析发现黏土含量、淤泥含量、砂粒含量与细菌丰度和真菌丰度间存在极显著相关性。土壤pH、土壤有机质、氮含量、磷含量与口蘑属相对丰度呈负相关,钾含量与口蘑属相对丰度呈正相关。沙粒和粘土含量与口蘑属相对丰度呈正相关关系,淤泥含量与口蘑属相对丰度呈负相关关系。 土壤理化因子与土壤细菌真菌群落RDA冗余分析图 土壤质地与土壤细菌真菌群落CCA分析图 最后,基于MetaCyc数据库利用PICRUSt2软件对土壤真菌群落代谢功能进行了预测和分析,与对照地相比,松茸生境中有13条细菌代谢途径存在不同程度的上调。进一步分析细菌或真菌的优势属的功能发现Burkholderia-Caballeronia-Paraburkholderia参与了11个上调代谢途径。Penicillium参与了唯一显著上调的真菌代谢途径。 代谢通路差异分析图
总结 本研究利用真菌的ITS1和细菌的16S高通量测序,揭示了与松茸相关的土壤真菌-细菌网络。发现真菌和细菌群落的分布遵循少数优势属占较大相对丰度的选择规律。发现与有效氮、有效磷和肥沃的土壤有利于真菌或细菌的生长的一般情况不同,松茸栖息地的土壤pH、土壤有机质、氮、磷含量均较低。此外,物种之间的关系是微生物群落形成和发展的另一个主要因素。一些真菌和细菌属可以促进松茸的生长,如细菌Burkholderia-Caballeronia-Paraburkholderia或者真菌Umbelopsis。综上,有理由设想微生物组组成对松茸生长和形成的影响将是未来研究的课题。
案例2
《diversity》
影响因子:3.029
研究方法
本研究在6-9月对三个采样地(QA: Q. mongolica纯林、QB: Q. mongolica and Rhododendron dauricum混交林和QC: Q. mongolica, R. dauricum, and Pinus densiflora混交林)的土壤进行五点抽样法采集植物根系和根际土壤,并对根尖增大的外生菌根和土壤进行DNA提取、高通量测序。 研究方法:土壤样品细菌、真菌群落多样性组成谱测序 测序区域:16S rRNA基因V3V4区测序;真菌ITS1基因测序 测序方法:Illumina NovaSeq测序 分析方法:QIIME 2
研究结果
首先,对三块样地不同林型蒙古栎外生菌根圈真菌和细菌组成分析发现,真菌和细菌群落alpha多样性差异不显著,但外生菌根真菌群落中Shannon和Simpson指数差异极显著。真菌和细菌群落方面,两个混交林相似性较强;外生菌根真菌方面,Q. mongolica纯林、Q. mongolica and Rhododendron dauricum混交林结果聚集在一起,并与Q. mongolica, R. dauricum, and Pinus densiflora混交林结果分离。 三种林型蒙古栎外生菌根圈微生物组成Venn图和Alpha多样性箱线图 三种林型蒙古栎外生菌根圈微生物群落Beta多样性层次聚类分析图 其次,对根际土壤样品进行理化因子测定分析,发现纯林样地土壤有机质(SOM)和有效磷(SAP)显著高于其他2个混交林样地。对外生菌根真菌前20个属的相对丰度与气候因子、根际土壤理化性质的相关性做RDA冗余分析发现,S土壤pH (SpH)、土壤有机质(SOM)、土壤有效氮(SEN)和土壤有效磷(SAP)在真菌群落中具有显著的相关性(p < 0.05)。SpH、SOM和SEN与外生菌根真菌群落有显著相关性(p < 0.05),而SEN、SpH、SOM、SAK和SAP对细菌群落有影响(p < 0.05)。 土壤理化性质与微生物组成间RDA冗余分析图 再次,通过对蒙古栎外生菌根根尖微生物之间关系的分析发现,三个样地QA、QB和QC中,分别有12.11、17.89和20.00%的真菌呈显著正相关,2.11、21.05和8.95%的真菌呈现负相关;8.95、26.84和16.84%的细菌呈现正相关,2.11、16.84和5.26%的细菌呈现负相关。除QB中真菌外,所有样品的显著正相关均大于显著负相关。这说明蒙古栎外生菌根中的大多数微生物都采用了有益的组合。 三种林型蒙古栎外生菌根圈真菌或细菌属关系的Spearman相关分析 最后,基于MetaCyc数据库利用PICRUSt2软件对土壤真菌群落代谢功能进行了预测和分析。真菌功能方面,以QA为对照,QB中第三代谢途径无显著差异,而在QC中,lipasyn - pxy和pxy -6121通路上调。细菌功能方面,仍以QA为对照,QB中pxy -6486、pxy -7046和pxy -1501三个通路显著上调,pxy -6486, pxy -1361, PWYO-41等十个通路显著上调。
总结
本研究揭示邻近植物对松茸宿主植物蒙古栎外生菌根圈微生物组成的影响。3个样地真菌、外生菌根真菌和细菌的β-多样性和物种组成存在显著差异。土壤理化性质对细菌、真菌群落具有显著相关性。此外,土壤微生物对蒙古栎外生菌根圈微生物组成影响不大。大多数微生物都愿意形成有益的联系,但原因还需要进一步的研究。利用PICRUSt2对蒙古栎外生菌根圈微生物的代谢功能进行了预测,真菌的一级代谢途径为5条,二级代谢途径为29条,细菌的一级代谢途径为7条,二级代谢途径为61条。