植物残体微生物分解中真菌 - 细菌 “分解者 - 利用者” 互作新框架及其对有机碳循环的关键意义

为探究真菌和细菌在植物残体微生物分解（PRMD）中的作用及相互关系，南京农业大学研究人员开展植物残体降解实验。结果表明，残体复杂性驱动真菌和细菌功能分化，真菌为分解者，细菌为利用者。该研究为理解有机碳循环的微生物过程提供新视角。

　　在广袤的大自然中，土壤里的植物残体就像一座 “宝藏库”，它们的微生物分解过程对地球陆地土壤有机碳库的形成和循环起着至关重要的作用。真菌和细菌作为这场 “分解盛宴” 的主要参与者，却一直 “身份神秘”。以往研究发现，在不同生态系统中，真菌和细菌对植物残体分解的贡献差异很大。在森林里，真菌似乎是分解的 “主力军”；而在草原和农业生态系统中，细菌又占据了主导地位。但植物残体的复杂性，比如含有大量难以分解的木质素和结晶纤维素，给微生物的分解工作带来了巨大挑战。而且，我们对真菌和细菌在自然环境下的功能动态变化以及它们之间的相互作用知之甚少。为了揭开这些谜团，深入了解有机碳循环的生态机制，南京农业大学的研究人员展开了一项意义重大的研究。
这项研究成果发表在《Genome Biology》上，它为我们理解植物残体微生物分解过程提供了全新的视角。研究人员通过一系列实验，得出了许多重要结论，对揭示生态系统中微生物的奥秘有着不可忽视的意义。
研究人员在实验过程中运用了多种关键技术方法。首先是连续固相传代培养实验，他们从不同自然栖息地采集了 127 个潜在的植物残体分解微生物样本，混合制成初始微生物群落，然后接种到六种不同复杂度的植物残体上进行 14 代培养。接着进行 DNA 提取和扩增子测序分析，测定细菌和真菌群落结构。还开展了元转录组测序分析，探究微生物基因表达情况。此外，构建基因组规模代谢模型并进行通量平衡分析，以此研究细菌对碳源的利用能力。
下面来详细看看研究结果。
植物残体复杂性驱动木质纤维素分解微生物群落分化。研究人员用相同微生物群落接种六种植物残体进行连续固相发酵，发现随着植物残体复杂性增加，细菌丰富度显著下降，而真菌丰富度不受明显影响甚至略有上升。这表明真菌在分解复杂植物残体方面更具优势，可能是潜在的主要分解者。
真菌主导 CXL 基因，细菌富集 OH 和 PBH 基因。通过对大量细菌和真菌基因组的分析，发现真菌基因组中编码纤维素酶、木聚糖酶和木质素分解酶（CXL）的基因数量远多于细菌，而细菌基因组中编码寡糖水解酶（OH）和多糖分支水解酶（PBH）的基因较多。在进化后的微生物群落中，真菌群落富含高植物残体降解能力的菌株，而细菌群落则以利用者为主，这说明细菌更倾向于利用真菌分解植物残体产生的产物。
真菌是主要分解者，细菌是利用者。对第 14 代固体发酵样本进行元转录组分析发现，随着植物残体复杂性增加，真菌转录序列比例上升，细菌转录序列比例下降。在分解复杂植物残体时，真菌的 CXL 基因表达量远高于细菌，而细菌在水解寡糖和多糖分支方面具有优势，这进一步证实了真菌作为主要分解者，细菌作为利用者的角色。
细菌丰富度下降与可用碳类型和浓度有关。构建细菌基因组规模代谢模型模拟发现，细菌的碳利用广度（CUB）与植物残体复杂性呈正相关，但随着碳源浓度降低，细菌生长速率分布发生变化，导致丰富度下降。虽然细菌间的交叉喂养机制在一定程度上有助于维持生长，但在低浓度碳源条件下，这种作用有限。
真菌分解者的存在诱导细菌利用者的盛行。通过相关分析和实验验证，发现当有真菌分解者存在时，细菌群落的碳获取策略发生改变，利用者在细菌群落中占据主导地位。
在研究结论和讨论部分，研究证实了植物残体复杂性是真菌和细菌在分解过程中相互作用的核心驱动因素。无论植物残体复杂程度如何，真菌始终作为分解者，细菌则作为利用者。这一 “分解者 - 利用者” 关系的明确，大大提升了我们对有机碳循环微生物机制的理解。同时，研究还发现真菌和细菌之间可能存在合作关系，比如细菌为真菌提供氮源。不过，自然环境复杂多样，温度、pH、湿度和盐度等因素都会影响微生物的分解作用，未来研究需要综合考虑这些因素，以更全面地揭示植物残体微生物分解的奥秘。