对比生境中野生多年生藤本植物根微生物组的一致性

《Plant Biology》：Consistent root microbiomes across contrasting habitats in a wild perennial vine

　　

虽然研究人员开始认识到植物微生物组（plant microbiome）对植物健康的重要性，但关于植物微生物组如何在不同环境中形成以及如何影响植物表现（plant performance），尤其是在野生研究物种中，仍缺乏信息。在此，研究人员研究了多年生藤本植物Solanum dulcamara的根微生物群（root microbiota），它是马铃薯的野生近缘种，具有异常广泛的生态幅。利用扩增子测序（amplicon sequencing），研究人员表征了四种生境类型（海滩、森林、农村、城市）中八个种群的细菌、真菌和丛枝菌根真菌（arbuscular mycorrhizal fungi, AMF）根系群落，并探究了其与生境和植物表现之间的联系。研究人员发现，不同生境和种群的根微生物群在组成和多样性上存在显著差异，但一个核心类群（占所有细菌的61%和所有真菌的73%）构成了根微生物组（root microbiome）的大部分。微生物组组成与土壤pH（soil pH）和植物养分相关。尽管调查的种群在食草作用和植物表现上存在差异，但植物表现与微生物组成之间的关联较弱。总之，研究结果表明，野生物种在截然不同的生境中可能具有相似的根微生物组，并且植物表现并不总是直接与植物微生物组相关。

**研究背景与问题**
植物被视为全生物（holobiont），其微生物组对宿主健康、养分获取和胁迫耐受至关重要。然而，关于野生植物在不同环境中微生物组的形成机制及其与植物表现（如生长和繁殖）的关联仍不清楚。现有研究多集中于模式植物或作物，缺乏在复杂自然生态系统中的比较。Solanum dulcamara（千年不烂心）是一种生态幅极宽的野生多年生藤本植物，能在海滩、森林、农村和城市等极端差异生境中生存，为探究同一物种的根微生物组如何响应环境梯度提供了独特机会。本研究旨在回答：（1）S. dulcamara植物性状在不同生境或种群间如何变化？（2）根微生物组是否受生境类型和环境条件影响？（3）根微生物组组成是否与植物表现性状相关？论文发表在《Plant Biology》。

**主要技术方法**
研究人员在瑞典南部约50公里范围内选取了S. dulcamara的8个野生种群，划分为海滩、森林、农村、城市四种生境类型（各两个种群）。于2020年8月采集根系样本：每个种群采集S. dulcamara根样（n=12，其中一个种群n=10），同时采集邻近同生境的其他植物根样（共4种：Artemisia vulgaris、Lycopus europaeus、Lysimachia vulgaris、Plantago lanceolata）和土壤样本。利用扩增子测序（amplicon sequencing）对细菌（16S rRNA基因，引物799F&1193R）、真菌（ITS2区域，引物ITS3-2024F&ITS4-2409R）和丛枝菌根真菌（AMF，引物NS31F&AML2R）进行表征。序列通过DADA2流程处理为扩增子序列变体（ASV），分别使用Silva、UNITE和MaarjAM数据库注释。统计分析包括α多样性（Chao1）、β多样性（Bray-Curtis距离）、PERMANOVA、RDA和Mantel检验，同时结合土壤性质、植物养分、食草作用（leaf herbivory intensity）和植物表现性状（如生物量、浆果数等）进行关联分析。

**研究结果**

**Soil profiles differed across habitats** 土壤性质在不同生境间整体差异显著，海滩种群在PCA中聚集较近，沙含量在海滩和森林种群中显著高于农村和城市种群。

**Some invertebrate communities differed between wet and dry habitats** 湿生境（森林和农村）中粘性陷阱捕获的昆虫总数显著高于干生境（海滩和城市），尤其是鞘翅目、双翅目和膜翅目。

**Herbivory intensity was associated with habitat moisture and invertebrate abundance** 湿生境（森林和农村）的食草作用强度（1.1–11.5%）显著高于干生境（0.1–2.1%）；粘性陷阱捕获的鞘翅目数量和总昆虫数与食草强度呈正相关。

**Plant nutrients differed between habitats** 森林种群的植物氮（N）含量显著高于城市种群；海滩种群的镁（Mg）含量高于其他生境。

**Plant performance traits differed across habitats, with larger plants at dry sites and higher berry production in beaches** 除嫩枝数和花数外，多数表现性状在生境和种群间存在差异。干生境（海滩和城市）中植物较大，浆果产量在海滩生境中最高；根系长度与干湿无关，但森林种群根系最长，城市种群次之。

**Root microbial communities were dominated by shared ASVs, with beach populations exhibiting the lowest diversity** 细菌群落以变形菌门和放线菌门为主；真菌群落以子囊菌门为主，其中Glomerellales在湿生境中丰度更高。海滩种群在所有微生物类群中序列丰富度最低。共有ASV占细菌序列的60.5%、真菌序列的72.7%、AMF序列的66.2%，表明核心微生物组（core microbiome）占优势。

**Forest and rural habitats support higher bacterial diversity, while fungal patterns vary among populations** 森林和农村（湿生境）的细菌α多样性显著高于海滩和城市（干生境）；真菌α多样性在城市生境中最高，尤其由Malm?种群驱动；AMF α多样性在生境间无显著差异。

**Beta diversity in the root microbiota among S. dulcamara habitats and populations** 细菌、真菌和AMF群落组成（Bray-Curtis距离）在干/湿生境以及四个生境类型间均显著分离（PERMANOVA P<0.001），种群身份进一步解释了额外变异。

**Solanum dulcamara exhibits wider AMF beta diversity and unique fungal composition compared with co-occurring plant species** S. dulcamara与邻近植物相比，AMF β多样性更宽；在真菌群落中，Glomerellales在S. dulcamara中更占优势。细菌α多样性在S. dulcamara与Lys. vulgaris间有显著差异，但未反映S. dulcamara自身的生境间差异。

**Soil pH and plant nutrients drive root bacterial and fungal communities, while AMF show weaker associations** Mantel检验显示，细菌和真菌群落组成与土壤pH和植物养分（N、P、K、Ca、Mg）显著相关；AMF仅与植物K和Mg显著相关。RDA分析表明，海滩种群的群落与Mg相关，森林与P、K、Ca相关，城市与土壤pH相关。植物表现性状（如生物量、浆果数、食草暴露）与微生物组关联均不显著，仅细菌组成与采样嫩枝是否来自匍匐茎（克隆大小指标）相关。

**总结与讨论**
研究人员在野生S. dulcamara根微生物组中观察到不同生境间的组成差异，但超过60%的微生物类群为跨生境共有核心群落，支持了微生物组可划分为“保守核心”和“环境响应亚群落”的观点。真菌核心比例（73%）高于细菌（60.5%），暗示真菌受宿主影响更强。细菌α多样性在干生境中较低，可能与干旱胁迫下革兰氏阳性菌的耐受性有关；城市生境真菌多样性较高，但AMF多样性无差异，表明城市化可能削弱植物-AMF互利关系。微生物组与土壤pH和植物养分相关，但与植物表现性状无直接关联，这可能由于植物通过微生物组优化表型可塑性，或测量性状未能完全反映表现。研究首次提供了野生城市植物根微生物组的见解，强调了人类活动对植物关联微生物群的影响尚需深入探究。

**结论原文翻译**
在本研究中，野生多年生藤本植物S. dulcamara的根微生物组在四种截然不同的生境间存在差异，尤其体现在干生境与湿生境的对比中。然而，超过60%的微生物组在生境间相似，表明存在一个庞大的核心微生物群落。尽管微生物群落组成与种群水平测定的土壤pH和植物养分相关，但与植物表现没有明确的关联，这与研究人员的预期相反。未来研究中，进一步了解决定该物种独特根微生物组的因素，以及它是否与物种在极端生境差异下生长的能力有关，将会很有意思。本研究还首次提供了野生城市植物根微生物组的见解，并比较了它们与同一物种在乡村地区植物的差异。人类活动对植物相关微生物群的影响仍知之甚少，但对于确保生态系统稳定性和最终的地球健康具有重要意义。