种子与真菌的相互作用受来源影响，这种相互作用能促进干旱地区仙人掌（Opuntia streptacantha）的发芽

《Journal of Arid Environments》：Provenance-dependent seed–fungus interactions enhance germination in the arid-zone cactus Opuntia streptacantha

　　

摘要

种子休眠限制了许多仙人掌物种的繁殖能力，即使在有利的环境条件下也会抑制其发芽。在Opuntia streptacantha中，休眠作用因生理限制和木质化的内果皮而增强，这形成了一个强大的机械屏障。我们评估了与种子相关的真菌是否对八个墨西哥种群的发芽产生影响。在实验1中，未经过表面灭菌处理的种子比经过表面灭菌处理的种子具有更高的发芽率，这表明天然存在的与种子相关的微生物具有促进作用。在实验2中，种子被接种了Trichoderma gamsii、Cladosporium cladosporioides和Fusarium chlamydosporum。真菌处理显著提高了发芽率，其中F. chlamydosporum在实验条件下的效果最为显著（最高可达78%）。显著的来源×处理交互作用表明，不同种子来源之间的真菌效应存在差异，这突显了种子-微生物相互作用中的种内变异性。扫描电子显微镜观察显示真菌定殖并改变了内果皮的表面结构，这表明真菌生长可能与种皮结构之间存在相互作用；然而，需要进一步研究种子生物力学、水分吸收和真菌酶活性以确认其中的机制。这些发现强调了在制定干旱生态系统的微生物辅助恢复策略时考虑种子来源和微生物相互作用的重要性。

引言

干旱和半干旱生态系统的特点是气候变异性强、降水量低且不可预测，以及极端温度（Reynolds等人，2007年；IPCC，2021年）。在这些环境中，繁殖是一个关键的人口瓶颈，因为发芽和幼苗建立受到土壤湿度和温度在狭窄阈值范围内的限制（Ramírez-Valiente等人，2023年；James等人，2021年）。因此，早期生活史特征（如休眠信号）受到强烈的环境筛选，通常导致不同干旱地区的种群间出现差异（James等人，2021年；Bertuzzi等人，2023年）。

仙人掌科植物是美洲大陆干旱和半干旱生态系统中的主要组成部分（Bravo-Hollis，1978年；Anderson，2001年）。在墨西哥，“nopaleras”是由密集的Opuntia物种（高度1-4米）组成的典型植物群落，常与Acacia、Prosopis和Yucca等属植物共存（Janzen，1986年）。

Opuntia物种的种子发芽通常受多种休眠形式的限制。种子表现出生理休眠，并需要一个后熟期，而厚实的木质化种皮对发芽形成了强大的机械屏障（Monroy-Vázquez等人，2017年）。种皮需要0.2到4.6千牛的力量才能破裂（López-Palacios等人，2015年），并且胚的生长潜力通常较低（Orozco-Segovia等人，2007年）。此外，种柄的硬度也限制了水分吸收，进一步抑制了发芽（Sánchez-Coronado等人，2011年）。尽管已经使用了几种方法来克服Opuntia种子的休眠问题——包括机械刻伤、洗涤、热处理和酸处理——但这些方法的效果在不同物种和种群间差异很大（Mandujano等人，2005年；Romo-Campos等人，2010年；Rojas-Aréchiga等人，2011年；Monroy-Vázquez等人，2017年）。

除了生理限制之外，越来越多的证据表明微生物在种子发芽中起着重要作用。内生真菌栖息在植物组织中而不引起疾病，它们在整个生命周期中都与植物紧密相关，包括早期发育阶段（Brader等人，2017年；Shahzad等人，2018年）。与种子相关的真菌可以通过产生细胞分裂素等植物激素和保护种子免受病原体侵害来影响发芽（Bacilio-Jiménez等人，2001年；Goggin等人，2015年）。多项研究表明，某些内生真菌（如Penicillium chrysogenum、Phoma medicaginis和Trichoderma koningii）可以促进发芽（Delgado-Sánchez等人，2010年、2011年、2013年）。植物从促进发芽的种子携带的内生真菌中受益（Wu等人，2013年；Rodríguez等人，2018年；Shearin等人，2018年）。

物种分布范围内的环境变化可以影响种子特征及其相关的微生物群落。母体环境条件影响发芽反应（Kolodziejek，2017年；Larios和Venable，2018年；Cruz-Jiménez等人，2023年），而非生物因素也影响真菌群落的组成和丰度（Roy等人，2004年；Spear等人，2015年）。尽管已在土壤种子库中记录了种子-真菌相互作用，但对于种子分散前的真菌群落及其在发芽中的作用知之甚少（Nelson，2018年；Mackin等人，2021年）。

在Opuntia streptacantha中的先前研究表明，在环境差异较大的种群中，种子发芽和种子特征存在显著差异（Cruz-Jiménez等人，2023年）。尽管已证明真菌在消毒后的Opuntia种子上的生长可以促进发芽（Sánchez-Coronado等人，2011年；Delgado-Sánchez等人，2010年、2011年、2013年），但这种反应是否在不同种群间存在差异尚不清楚。种群特定的对种子相关真菌的反应可能源于遗传差异或不同的环境历史（Maga?a等人，2024年）。在未来气候背景下，随着温度升高和降水模式改变，了解特定来源的植物-真菌相互作用可能变得越来越重要（IPCC，2021年）。此外，了解有益的种子-微生物相互作用是否在各个种群中保守对于干旱地区的恢复计划尤为重要，因为在日益严峻的环境条件下，选择合适的种子来源和微生物伙伴可能提高建立成功率。

在这项研究中，我们评估了种群层面的差异是否介导了O. streptacantha对微生物接种的发芽反应。O. streptacantha是墨西哥粗茎灌木丛中广泛分布的物种。具体来说，我们评估了（i）表面灭菌处理和未表面灭菌处理种子之间的发芽差异，（ii）促进发芽的真菌分类群的身份，以及（iii）选定真菌分离物对八个种群种子的接种效果。我们假设不同来源对真菌接种的发芽反应存在差异，这反映了种子特征、母体效应和/或局部环境历史的种群层面差异。

节选内容

研究地点和种子采集

Opuntia streptacantha的种子是从2020年9月至11月在墨西哥中部干旱和半干旱地区采集的成熟果实中获得的（图1）。每个种群从15到20株植物中收集果实。样本种群位于粗茎灌木植被中，海拔范围从1987米到2450米。研究地点包括Sain Alto、Guadalupe和Villa González Ortega

实验1. 八个来源的经过表面灭菌和未经过表面灭菌处理的种子的发芽情况

初步的二项式广义线性模型检测到过度分散（Pearson分散比=2.05，P=1.55e-6）；因此，拟合了一个 beta-二项式模型，该模型没有显示出残余过度分散的证据（分散比=1.036，P=0.592）。来源×处理交互作用具有统计学意义（χ2=39.20，df=7，P=1.787e-06），表明处理效果在不同种群间存在差异。来源的主效应没有统计学意义（χ2=12.16，df=7，P

讨论

我们的结果表明，在实验条件下，与种子相关的真菌可以增强Opuntia streptacantha的发芽率，尽管这种效应的程度在不同来源间存在差异，表明种子-真菌相互作用存在种群特异性变异。

干旱和半干旱环境由于降水量低、气候变异性大以及适合种子发芽和幼苗建立的窗口期狭窄，对植物繁殖施加了强烈的限制（Flores和Jurado，2003年）

结论

与种子相关的真菌显著增强了Opuntia streptacantha的发芽率，其中Fusarium chlamydosporum在所有来源中产生的发芽效果最高且最一致。显著的来源×处理交互作用表明，对真菌接种的反应在不同种子来源间存在差异，这突显了在评估微生物辅助发芽方法时考虑种群层面变异的重要性。扫描电子显微镜观察表明，真菌定殖

CRediT作者贡献声明

Israel Cruz-Jiménez：概念设计、数据管理、数据分析、调查方法、撰写——初稿、审稿和编辑。María de la Luz Guerrero-González：资金获取、监督、撰写——初稿、审稿和编辑。Joel Flores：撰写——初稿、审稿和编辑。José Arturo De-Nova：撰写——初稿、审稿和编辑。Pablo Delgado-Sánchez：概念设计、资金获取、项目规划

利益冲突声明

作者声明以下可能的利益冲突：Israel Cruz-Jimenez报告得到了科学、人文、技术和创新部的财政支持。Israel Cruz-Jimenez与科学、人文、技术和创新部之间存在关系，包括资金资助。如果还有其他作者，他们声明没有已知的利益冲突

致谢

第一作者获得了科学、人文、技术和创新部（SECIHTI）的博士奖学金（编号747245）。作者感谢Ana Iris Pe?a Maldonado和Gladis Judith Labrada Delgado在使用扫描电子显微镜分析真菌接种种子方面的帮助。作者还感谢波托西诺研究所的国家纳米科学和纳米技术实验室（LINAN）的支持

Israel Cruz-Jiménez|María de la Luz Guerrero-González|Joel Flores|José Arturo De-Nova|Pablo Delgado-Sánchez墨西哥索莱达德德格拉西亚诺桑切斯自治大学农学与兽医学院，SLP.