整合的宏基因组学和代谢组学揭示了白桑（Morus alba L.）和满洲梣（Fraxinus mandshurica Rupr.）根际土壤中与毛壳菌（Inonotus hispidus）相互作用的动态机制

《Applied and Environmental Microbiology》：Integrated metagenomics and metabolomics reveal the dynamic mechanism in the rhizosphere soil of Morus alba L. and Fraxinus mandshurica Rupr. with Inonotus hispidus

本研究通过宏基因组学和代谢组学技术，比较了白蜡树（Morus alba）和毛皮松（Fraxinus mandshurica）根际土壤中Inonotus hispidus的微生物多样性和代谢物差异，揭示了不同宿主下微生物-代谢协同机制。主要发现包括：门水平差异显著（放线菌门和假单胞菌门丰度差异达43.16%），属水平以Solirubrobacter和Bradyrhizobium为主；代谢途径中糖类和氨基酸代谢显著富集，酪氨酸代谢途径中水杨苷等5种代谢物在MARSU中显著上调（FC≥2.0），而FMRSU中3,4-二羟基-L-苯丙氨酸上调；微生物与代谢物呈显著正相关（r>0.6，p<0.05），其中Enhydrobacter与10种差异代谢物正相关。该研究为不同宿主下药用真菌的资源可持续利用提供了理论依据。

　　**解读：揭示不同宿主植物与Inonotus hispidus的共生机制**

Inonotus hispidus是一种具有重要药用价值的真菌，其生长环境多与特定的树种相关，如白桑树（Morus alba）、水曲柳（Fraxinus mandshurica）和枣树（Ziziphus jujuba）。这种真菌因其独特的生物活性，如抗肿瘤、抗炎、抗氧化等，而受到广泛的关注。然而，尽管其药用价值已被长期认可，目前对于I. hispidus与不同宿主植物之间微生物群落和代谢产物的差异性研究仍较为缺乏。因此，本研究通过整合多组学方法，结合宏基因组学和代谢组学，对I. hispidus在白桑树和水曲柳的根际土壤微生物多样性及代谢产物进行系统分析，旨在揭示其在不同宿主之间的协同机制，为I. hispidus的资源保护和可持续利用提供科学依据。

**一、研究背景与意义**

Inonotus hispidus，又名“桑黄”，在中国传统医学中有着悠久的应用历史。它主要生长在白桑树、水曲柳等阔叶树种上，分布广泛，涵盖中国多个地区，包括东北、西北、华北、华东和西南等地。此外，它也存在于韩国、日本、加拿大、德国、蒙古、阿尔及利亚等国家。近年来，随着对I. hispidus研究的深入，其多种生物活性成分被发现，如多糖、多酚、萜类、黄酮类和色素等，这些成分在抗病毒、免疫调节、抗肿瘤等方面展现出良好的应用前景。然而，尽管已有研究关注其在不同宿主植物上的基因组差异和次级代谢产物的变化，但对根际土壤微生物群落与代谢产物之间相互作用的研究仍处于初步阶段。

因此，本研究聚焦于I. hispidus在白桑树和水曲柳根际土壤中的微生物群落和代谢产物的差异性，采用宏基因组学和非靶向代谢组学方法，分析其在不同宿主植物上的生长特性与微生物环境之间的关系。这项研究不仅有助于理解I. hispidus与宿主植物的相互作用机制，也为未来开发和保护该真菌资源提供了新的视角和理论支持。

**二、研究方法概述**

本研究采用了宏基因组学和代谢组学相结合的方法，以系统分析I. hispidus在白桑树和水曲柳根际土壤中的微生物群落和代谢产物。首先，通过采集两组根际土壤样本（分别来自白桑树和水曲柳），进行宏基因组测序和代谢物提取分析。宏基因组学分析涉及基因组DNA的提取、质量评估、基因预测、功能注释以及与KEGG数据库的比对，以揭示微生物群落的功能特征。代谢组学分析则采用超高效液相色谱-四极杆飞行时间质谱（UPLC-Q-TOF-MS）技术，对代谢物进行非靶向检测，并通过主成分分析（PCA）和偏最小二乘判别分析（PLS-DA）等统计方法，识别出差异代谢物及其相关的代谢通路。

此外，为了进一步探讨微生物群落与代谢产物之间的相互作用，研究还进行了相关性分析，利用Pearson相关系数评估关键微生物类群与代谢产物之间的关联。通过构建桑基图（Sankey diagram）和微生物共现网络（co-occurrence network），研究揭示了微生物群落结构与代谢物变化之间的潜在联系。同时，采用Mantel检验评估代谢物与微生物群落之间的整体相关性，从而更全面地理解根际环境对I. hispidus生长和代谢的影响。

**三、微生物群落结构的差异性分析**

通过对两组根际土壤样本（MARSM和FMRSM）的宏基因组分析，研究发现，白桑树和水曲柳根际土壤中的微生物群落存在显著差异。在门水平上，Actinomycetota和Pseudomonadota是两组样本中最主要的微生物类群，其中Actinomycetota在白桑树根际土壤中的相对丰度为71.58%，而Pseudomonadota则在水曲柳根际土壤中更为丰富（58.13%）。这表明，两种宿主植物可能通过不同的微生物群落结构支持I. hispidus的生长。

在属水平上，Solirubrobacter和Bradyrhizobium是两组样本中显著富集的微生物类群。其中，Solirubrobacter属于放线菌门，广泛分布于土壤中，尤其在干旱和半干旱地区具有较强的耐受性。它能够通过分解有机质，为I. hispidus提供稳定的碳源。而Bradyrhizobium则属于α-变形菌门，是一类具有固氮能力的细菌，能够在土壤中提供氮源，促进I. hispidus的生长。此外，研究还发现，白桑树和水曲柳根际土壤中的有机质含量和固氮能力较高，这为I. hispidus提供了更丰富的营养来源。

值得注意的是，LEfSe分析显示，白桑树根际土壤（MARSM）中存在68个潜在特征性微生物分类，而水曲柳根际土壤（FMRSM）则包含73个。这表明，尽管两种宿主植物的根际土壤微生物群落总体相似，但它们在微生物组成和功能上存在细微差异，可能影响I. hispidus的生长模式和代谢产物的积累。

**四、代谢通路与关键代谢产物的分析**

在代谢组学分析中，研究共鉴定了558种差异代谢物，并发现这些代谢物主要涉及糖类代谢、氨基酸代谢、脂类代谢、酚类化合物代谢等多个生物化学通路。其中，酪氨酸代谢通路是最显著的代谢途径，包含五种差异代谢物，如龙胆酸（salidroside）、3,4-二羟基肉桂酸（3,4-dihydroxyphenylpropanoate）、罗汉酸（rosmarinate）和同香草酸（homovanillate）等。这些代谢物在白桑树根际土壤中显著上调，而3,4-二羟基-L-苯丙氨酸（levodopa）则在水曲柳根际土壤中显著富集。

进一步分析表明，这些代谢物的富集可能与I. hispidus的生长环境密切相关。例如，龙胆酸是一种天然的酚类化合物，具有抗炎、抗氧化、抗凋亡等作用，可能在I. hispidus的生长过程中起到关键作用。而3,4-二羟基-L-苯丙氨酸则作为多巴胺和去甲肾上腺素的前体，可能影响I. hispidus的代谢产物合成。此外，研究还发现，一些代谢物如3-（3-溴-4-羟基-5-甲氧基苯基）-2-氰基丙烯酰胺与多种代谢产物呈正相关，而另一些如Gly-Phe则与之呈负相关。这些发现为理解I. hispidus在不同宿主植物中的代谢适应机制提供了重要线索。

**五、微生物与代谢物的协同关系**

通过相关性分析，研究发现某些微生物类群与特定代谢产物之间存在显著的协同或拮抗关系。例如，Enhydrobacter与10种差异代谢物呈正相关，表明该微生物可能在促进I. hispidus代谢产物合成方面发挥重要作用。而其他类群如Gaiella、Haladaptatus、Jiangella和Prauserella则与多种代谢物呈负相关，暗示这些微生物可能抑制I. hispidus的代谢过程或影响其生长环境。

此外，研究还构建了微生物与代谢物之间的共现网络，发现白桑树根际土壤中的微生物网络更为复杂，具有更高的连接度和模块性。这表明，白桑树根际土壤中的微生物群落可能在维持I. hispidus的生长环境和代谢稳定性方面发挥更关键的作用。而水曲柳根际土壤中的微生物群落则可能在特定代谢产物的合成和转化过程中扮演重要角色。

**六、代谢产物对微生物群落的影响**

研究进一步揭示了代谢产物对微生物群落结构的潜在影响。例如，某些代谢产物如酚类化合物和脂肪酸可能通过改变土壤的化学环境，影响微生物的生长和代谢。通过分析KEGG通路注释，研究发现，这些代谢产物不仅与I. hispidus的代谢产物相关，还可能影响土壤中其他微生物的活动。例如，某些代谢产物可能促进固氮菌的生长，从而增强土壤中的氮素供应，为I. hispidus提供更丰富的营养来源。

同时，研究还发现，根际土壤中的代谢产物可能通过调节微生物的丰度和功能，影响I. hispidus的生长和代谢产物合成。例如，某些代谢产物可能促进某些微生物的生长，从而间接影响I. hispidus的代谢过程。这种微生物与代谢产物之间的相互作用可能为I. hispidus在不同宿主植物中的适应性提供解释。

**七、研究的科学价值与应用前景**

本研究通过多组学方法，首次系统分析了I. hispidus在不同宿主植物根际土壤中的微生物群落和代谢产物的差异性。这些发现不仅有助于理解I. hispidus与宿主植物之间的共生机制，也为其资源的可持续利用提供了理论依据。例如，研究发现，某些微生物类群如Solirubrobacter和Bradyrhizobium可能在促进I. hispidus的生长和代谢产物合成方面发挥关键作用。因此，未来的研究可以进一步探索这些微生物的代谢功能，以及它们如何影响I. hispidus的生长环境和代谢产物的积累。

此外，研究还发现，某些代谢产物如酪氨酸代谢相关化合物可能在I. hispidus的生长过程中起到重要作用。这些代谢产物的富集可能与I. hispidus对不同宿主植物的适应性有关，也可能影响其药用价值的表达。因此，未来的研究可以结合基因组学、蛋白质组学和转录组学等多组学方法，构建更全面的基因调控网络，以深入解析I. hispidus在不同环境下的生长机制和代谢调控模式。

**八、研究的局限性与未来展望**

尽管本研究提供了关于I. hispidus在不同宿主植物根际土壤中的微生物群落和代谢产物的初步见解，但仍存在一些局限性。例如，研究仅分析了两种宿主植物的根际土壤，未涵盖其他可能的宿主，如乌桕、苹果等。此外，尽管宏基因组学和代谢组学提供了丰富的数据，但这些数据主要基于基因组信息，无法直接反映微生物的实际表达情况。因此，未来的研究可以结合宏转录组学和宏蛋白质组学，以更全面地解析微生物的代谢活动及其与I. hispidus之间的相互作用。

此外，研究还发现，某些微生物类群可能对I. hispidus的生长具有抑制作用，如Gaiella、Haladaptatus等。这表明，不同宿主植物的根际土壤可能含有不同的微生物群落，这些微生物群落可能通过不同的机制影响I. hispidus的生长和代谢产物合成。因此，未来的研究可以进一步探讨这些微生物的生态功能，以及它们如何通过调节土壤环境来影响I. hispidus的生长特性。

**九、结论**

综上所述，本研究通过宏基因组学和代谢组学方法，揭示了I. hispidus在不同宿主植物根际土壤中的微生物群落和代谢产物的显著差异。这些差异不仅反映了不同宿主植物对I. hispidus的生态适应性，还可能影响其药用价值的表达。研究发现，某些微生物类群如Enhydrobacter和Bradyrhizobium可能在促进I. hispidus的生长和代谢产物合成方面发挥重要作用，而其他微生物类群如Gaiella和Jiangella则可能对I. hispidus的生长环境产生负面影响。

此外，代谢产物的富集情况也表明，不同宿主植物可能通过不同的代谢路径支持I. hispidus的生长。例如，白桑树根际土壤中富含酪氨酸代谢相关化合物，而水曲柳根际土壤中则可能更侧重于某些特定的代谢产物合成。这些发现为I. hispidus的资源保护和可持续利用提供了重要的科学依据，也为未来的研究指明了方向。通过整合多组学技术，可以更全面地解析I. hispidus与根际土壤微生物之间的相互作用，从而为提高其药用价值和生物活性提供新的思路。