重新审视种子内生菌在构建植物微生物环境中的生态效应：来自三七的启示

本研究针对种子内生菌(SEs)在植物微生物环境构建中的作用机制这一关键科学问题，通过以药用植物三七(Panax notoginseng)为研究对象，采用无菌培养实验结合扩增子测序技术，揭示了垂直传递的种子内生菌(sVTEs)具有独特的分类和功能特征，并证实其作为核心微生物群在植物相关微生物群(PAM)组装中起主导作用。该研究为理解植物-微生物互作提供了新视角，对可持续农业发展具有重要意义。

　　

在自然界中，植物与微生物形成复杂的共生关系，这种"全生物"(holobiont)关系对植物健康至关重要。然而，尽管土壤微生物被认为是植物相关微生物群(PAM)的主要来源，种子内生菌(SEs)作为垂直传递微生物的重要载体，其在PAM构建中的作用长期被低估。特别是对于垂直传递的种子内生菌(sVTEs)，其生物学特性、传递机制以及对后代植物的生态效应仍存在诸多未解之谜。

云南大学生态与环境科学学院的研究团队选择具有重要经济价值的传统中药材三七(Panax notoginseng，简称Pg)作为研究对象，在《Environmental Microbiome》发表了这项开创性研究。通过将表面消毒的三七种子分别在灭菌和自然土壤中进行无菌培养，利用扩增子测序技术分析种子、后代植株和根际土壤微生物组，揭示了sVTEs在植物微生物环境构建中的核心作用。

研究采用了多项关键技术：1)严格的无菌培养系统，包括种子表面消毒验证和土壤三重灭菌处理；2)扩增子测序技术分析细菌16S rRNA和真菌ITS区域，使用QIIME2流程进行数据分析；3)表型预测工具BugBase分析细菌功能特征；4)多样性和组成分析包括α多样性(Chao1和Shannon指数)、β多样性(PCoA)和Venn分析等。

研究结果部分包含多个重要发现：

背景部分揭示了三七种子携带丰富的内生菌群落，包含1149个细菌ASVs和342个真菌ASVs，其中60个细菌和18个真菌ASVs在超过60%的种子样本中稳定存在，形成了核心内生菌群。这些核心内生菌在种子中的平均相对丰度高达86%，确保了其对后代植物的持续影响。

通过重叠分析将种子内生菌ASVs分为sVTEs和nVTEs两组。结果显示sVTEs具有明显的分类偏好性：细菌sVTEs主要来自变形菌门(Proteobacteria)和放线菌门(Actinobacteriota)，而真菌sVTEs主要来自子囊菌门(Ascomycota)和担子菌门(Basidiomycota)。表型预测显示细菌sVTEs具有运动性、生物膜形成和胁迫耐受等特征，这些特性有利于其在植物体内的传递和定殖。

在无菌和自然土壤培养实验中，研究人员发现无论是否存在土壤微生物，后代植株都能获得相当数量的sVTEs。特别值得注意的是，在无菌土壤中，仅靠种子内生菌就能在后代植株中建立高多样性的PAM，sVTEs的相对丰度高达21-79%，表明其在PAM组装中起主导作用。

研究还发现土壤微生物虽然不影响植株获取sVTEs的数量，但参与塑造了所获取sVTEs的组成。PCoA分析显示，来自灭菌和自然土壤的样本形成了明显不同的组群，表明土壤微生物对sVTEs的组成具有筛选作用。

通过分析sVTEs在植物内圈(endosphere)和根圈(rhizosphere)的分布差异，研究发现细菌sVTEs在根圈更为丰富，而某些真菌sVTEs如Saccharomyces和Rhodotorium等则更倾向于定殖于植物内圈。这种差异分布可能反映了宿主与微生物的互利适应策略。

研究最重要的发现之一是提出了"土壤作为sVTE市场"的创新理论。在这个"市场"中，不同植物通过土壤交换各自的sVTEs，实现生态位优化。这一理论为理解自然生态系统中植物-植物-微生物的复杂互作提供了全新视角。

该研究的结论部分强调，种子内生菌及其垂直传递的sVTEs是构建植物相关微生物群的重要驱动力。sVTEs具有独特的分类和功能特征，能在植物不同区室形成差异分布，并通过土壤"市场"在不同植物间传递交换。这些发现不仅深化了对植物-微生物共生关系的理解，也为农业微生物组工程提供了重要理论基础，对实现可持续农业发展具有深远意义。研究同时指出，受当前技术限制和小样本量的影响，种子内生菌对PAM组装的影响可能仍被严重低估，这为未来研究指明了方向。