越橘（Vaccinium myrtillus）叶际微生物组在温带和北极地区的差异

《Journal of Plant Interactions》：Site-specific differences in the bilberry (Vaccinium myrtillus) phyllosphere microbiome across temperate and arctic locations

北极与温带越橘叶面微生物群落的宏基因组测序显示，北极样本富集耐寒、抗氧化微生物，温带样本以快速代谢和发酵菌为主，环境过滤驱动群落差异，证实越橘作为气候响应模型的价值。

　　植物叶片表面及其内部的微生物群落，即叶面菌群（epiphytic）和内生菌群（endophytic），构成了一个复杂且动态的生态系统，其组成和功能受到多种因素的影响，包括植物宿主的特性、微生物之间的相互作用以及环境条件。在不同的气候条件下，这些微生物群落可能会表现出显著的差异，进而影响植物的生长、健康以及对环境变化的适应能力。本研究通过比较温带地区（德国耶拿）和北极地区（挪威特罗姆瑟）的双生越橘（Vaccinium myrtillus）叶片微生物群落，揭示了气候极端性对微生物群落结构和功能的影响，为理解植物与微生物之间的相互作用提供了新的视角。

双生越橘是一种广泛分布于温带、寒带以及亚寒带森林中的多年生矮小灌木，其自然分布范围涵盖了从欧洲中部到北极斯堪的纳维亚的广阔区域。这种植物在森林生态系统中扮演着重要角色，不仅作为森林下层植被的组成部分，还为野生动物和人类提供食物来源。由于其生态分布的广泛性以及对温度和光照变化的敏感性，双生越橘成为研究气候驱动微生物群落变化的理想模型。

在北极地区，光照时间长、年均温度低且人类活动影响较小，这些因素对叶面微生物群落的组成和功能产生显著影响。相比之下，温带地区的气候条件更为温和，农业活动频繁，景观破碎化程度较高，这些因素可能通过改变微生物的传播路径和资源输入来塑造植物相关的微生物群落。因此，这两个截然不同的生态环境为评估环境过滤（environmental filtering）和宿主驱动选择（host-driven selection）对叶面微生物群落结构和功能的影响提供了天然的实验条件。

本研究采用霰弹枪宏基因组测序（shotgun metagenomics）技术，对双生越橘叶片的微生物群落进行了全面分析。这种方法能够提供高通量的基因组数据，从而揭示微生物群落的组成和功能特征。通过这种技术，研究团队不仅鉴定了在两个地区都存在的核心微生物群落，还发现了与特定环境条件相关的差异性微生物群落。例如，在特罗姆瑟的样本中，发现了与寒冷环境适应性相关的微生物，如具有抗紫外线和氧化应激能力的物种；而在耶拿的样本中，则发现了与快速生长和代谢适应性相关的微生物，如参与发酵和光合过程的物种。这些发现支持了环境过滤对植物微生物群落的塑造作用，即特定的环境条件会优先选择具有适应性特征的微生物。

尽管样本数量有限，每个地区仅采集三个生物重复样本，但研究结果仍然具有重要的参考价值。这种设计为后续的假设驱动研究提供了基础数据，有助于进一步探讨微生物功能在植物适应气候变化中的作用。研究还指出，双生越橘具有作为模型植物的潜力，可用于研究多年生植物的气候-微生物相互作用，特别是在应对气候变化带来的生态挑战方面。

在实验方法上，研究团队首先从两个地区的成熟双生越橘叶片中收集样本，并通过液氮快速冷冻和-80℃低温保存来保持DNA的完整性。随后，提取DNA并进行霰弹枪宏基因组测序，以获得全面的微生物群落数据。通过质量控制和组装步骤，确保了数据的准确性和可靠性。质量过滤和宿主DNA去除是整个流程中的关键环节，以减少宿主基因组对微生物群落分析的干扰。此外，研究团队还利用多种生物信息学工具对微生物群落的组成和功能进行了深入分析，包括使用Kraken2进行分类分析，使用DESeq2进行差异丰度分析，以及使用eggNOG进行功能注释。

研究结果表明，尽管α多样性（即群落内部的多样性）在两个地区之间没有显著差异，但β多样性（即群落之间的差异）显示出一定的趋势。特罗姆瑟的样本在物种多样性上表现出更高的丰富度，这可能与北极环境中微生物的适应性策略有关。此外，主坐标分析（Principal Coordinates Analysis, PCoA）的结果显示，尽管两个地区的样本在聚类上有所分离，但这种分离在统计学上并不显著，这可能与样本数量有限有关。

在功能分析方面，研究团队发现两个地区的微生物群落存在显著的功能差异。特罗姆瑟的样本中，与无机离子运输和代谢相关的基因功能更为丰富，这可能与北极环境中微生物需要维持细胞膜稳定性和渗透调节有关。而耶拿的样本则表现出更高的氨基酸运输和代谢、碳水化合物运输和代谢等基因功能的丰富度，这可能反映了温带环境中微生物更倾向于快速适应环境变化和资源利用的策略。

此外，研究团队还通过生态特征分析，揭示了不同地区微生物群落的适应性策略。特罗姆瑟的微生物群落中，更多物种表现出耐寒性、抗氧化应激能力和形成孢子的能力，这些特征有助于它们在寒冷和紫外线辐射较强的环境中生存。而耶拿的微生物群落则更多地表现出快速生长、代谢适应性和对植物有益的特性，如促进植物生长和增强抗逆性。这些生态特征的差异反映了微生物群落在不同环境条件下的适应策略，也揭示了环境过滤在塑造微生物群落中的重要作用。

本研究的发现对于理解植物与微生物之间的相互作用具有重要意义。首先，它揭示了在不同气候条件下，植物微生物群落的组成和功能存在显著差异，这可能影响植物的生长和健康。其次，研究结果表明，即使在有限的样本数量下，环境过滤对微生物群落的结构和功能仍有显著影响，这为未来的大规模研究提供了理论依据。最后，双生越橘作为研究多年生植物微生物群落变化的模型植物，具有重要的应用价值，尤其是在应对气候变化带来的生态挑战方面。

总的来说，本研究通过比较温带和北极地区的双生越橘叶片微生物群落，揭示了环境条件对微生物群落结构和功能的深远影响。这些发现不仅有助于理解植物微生物群落的适应机制，还为未来的研究提供了重要的参考和方向。随着气候变化的加剧，植物微生物群落的变化可能对植物的健康和生态系统的稳定性产生重要影响，因此，进一步研究这些微生物的功能和适应性策略，对于发展可持续的农业和生态保护措施具有重要意义。