冬小麦生产系统中深色有隔内生真菌（DSE）定殖率超过丛枝菌根真菌（AMF）定殖率

《Plant and Soil》：Dark septate endophyte colonization exceeds arbuscular mycorrhizal colonization across winter wheat production systems

　　

摘要专业翻译 背景与目的 深色有隔内生真菌（DSE）是广泛分布的根系相关真菌，然而相较于丛枝菌根真菌（AMF），其在农业生产实践下的定殖状况及响应特征仍未得到充分表征。研究人员定量测定了冬小麦根系中DSE和AMF的定殖水平，并评估了二者对生产环境、氮肥施用、品种及作物生育期的响应，同时分析了其与土壤化学性质和籽粒产量的关联。 方法 研究人员在三个生产环境下，于抽穗期（Heading）和收获期（Harvest）两个生育期，对10个冬小麦品种在两种氮肥处理（N0和N150）下进行了评价。DSE和AMF的根长定殖百分率（%RLC）通过显微观察进行定量。土壤化学性质和籽粒产量采用多变量及混合效应方法进行分析，包括对两类真菌类群进行直接统计比较。 结果 DSE定殖率范围为8.6%–73.2%，AMF定殖率范围为4.7%–68.5%。总体而言，DSE定殖率超过AMF定殖率（33.8%对23.5%）。DSE定殖率在全部三个生产环境、两种氮肥处理、收获期以及七个品种中均高于AMF定殖率，而AMF定殖率仅在抽穗期和一个品种中高于DSE定殖率。DSE定殖率在N150处理下较N0显著降低，而AMF定殖率未受氮肥处理的显著影响。土壤化学性质对真菌定殖的额外变异解释有限，尽管探索性分析表明DSE与个别土壤因子的关联强于AMF。两类真菌类群均与籽粒产量无显著关联。 结论 DSE是冬小麦根系定殖的重要组成部分且对环境因子具有明显响应，其变化模式与AMF显著不同。对两类真菌类群进行同步评价，为理解综合小麦生产系统中的根系真菌生态学提供了比较框架。

论文解读

一、研究背景与意义

真菌根系共生体，包括菌根真菌和非菌根内生真菌，是陆地植物根系系统中广泛存在的组成部分，在生态系统功能中发挥关键作用。在非菌根根系内生真菌中，深色有隔内生真菌（DSE）广泛分布于草原和森林生态系统，可能在促进植物生长、养分循环、土壤过程以及生物和非生物胁迫耐受性方面发挥作用。然而，与丛枝菌根真菌（AMF）相比，DSE在农业生态系统中的定殖状况及其对农业管理措施的响应研究极为匮乏。尽管已有研究从麦类作物根部分离出多种DSE类群，如Periconia macrospinosa、Poaceascoma zborayi和Agrorhizomyces patris等，且在小麦根系微生物组研究中频繁检测到相关类群，但针对DSE定殖率的定量田间评估在农业管理梯度下仍然缺失。

现有研究存在两个突出问题：其一，DSE和AMF的定殖率虽在部分自然生态系统和少数农业研究中被同步测定，但这些研究通常独立描述各真菌类群，缺乏对共存的两类真菌类群在同一环境和同一管理梯度下响应的直接统计比较；其二，微生物组研究虽能表征真菌的丰富度、多样性和群落组成，但无法从宏基因组数据中一致地界定DSE这一系统发育多样的功能性类群，因此显微定量评估根长定殖百分率（%RLC）成为田间根系中定量DSE定殖的直接且必要的手段。基于此，研究人员开展了这项研究，以AMF为基准，直接比较DSE与AMF在冬小麦生产系统中的定殖响应，建立理解农业系统中DSE生态学的比较框架。据研究人员所知，该研究是首个在冬小麦中对共存DSE和AMF的%RLC进行统计比较的定量田间调查。

二、研究设计与技术方法

研究于2024年在美国南达科他州三个生产环境开展：奥罗拉研究农场（Aurora，常规耕作管理）和两个长期免耕（超过25年）地点——达科他湖研究农场（Pierre）和约根森农牧场（Winner）。试验采用裂区随机完全区组设计（RCBD），每环境设3个区组，氮肥水平为主区因子，品种为副区因子。氮肥设两个水平：N0（不施氮肥）和N150（按目标150 lb acre?1施氮）。共评价10个硬红冬小麦基因型。共采集360份土壤和360份根系样品（3环境×2氮水平×10品种×3区组×2生育期）。根系经KOH透明、Trypan Blue染色后，采用网格线交叉法在400倍显微镜下定量AMF和DSE的%RLC。土壤化学分析涵盖15项指标。统计分析采用线性混合效应模型、主成分分析（PCA）、置换多元方差分析（PERMANOVA）、偏冗余分析（partial RDA）及探索性混合效应模型等方法。

三、主要研究结果

DSE定殖率在环境、氮肥、品种和生育期间的变化

DSE定殖率范围为8.6%–73.2%，环境×氮肥×生育期×品种四阶交互作用显著。生育期对DSE定殖率的主效应最大，其次为品种、环境和氮肥。DSE定殖率在Aurora_T（39.6%）高于Pierre_NT（32.4%）和Winner_NT（29.8%）；N0下（37.5%）高于N150下（30.2%）；收获期（47.5%）高于抽穗期（22.3%）。品种间DSE定殖率范围为26.8%（SD20D009-9）至41.9%（SD20B086-1）。

AMF定殖率在环境、氮肥、品种和生育期间的变化

AMF定殖率范围为4.7%–68.5%，四阶交互作用同样显著。品种对AMF定殖率的主效应最大，其次为生育期和环境，氮肥不显著。AMF定殖率在Pierre_NT（30.1%）和Winner_NT（27.1%）高于Aurora_T（15.4%）；抽穗期（27.1%）高于收获期（20.3%）；N0与N150间无显著差异。品种间AMF定殖率范围为16.0%（SD20B088-2）至46.3%（SD21D126-5）。

DSE与AMF定殖率的多变量格局

主成分分析中，PC1和PC2分别解释59.0%和41.0%的多变量变异。抽穗期和收获期的定殖格局在排序空间中占据不同区域。生育期、品种、环境和氮肥均为显著因子。

两类真菌类群的差异比较

总体上DSE定殖率（33.8%）显著高于AMF（23.5%）。DSE定殖率在三个环境中均高于AMF；抽穗期AMF高于DSE，收获期DSE高于AMF；两种氮肥处理下DSE均高于AMF；七个品种中DSE高于AMF，一个品种（SD21D126-5）中AMF高于DSE。在120个环境×生育期×氮肥×品种组合中，83个组合的类群间差异显著，其中63个组合DSE高于AMF，20个组合AMF高于DSE。

土壤化学性质与根系真菌定殖的关系

偏冗余分析中，土壤化学变量对DSE和AMF定殖的额外解释力均有限。探索性分析显示，DSE定殖率与土壤Fe和Cu正相关、与K负相关；AMF定殖率与任何土壤化学变量均无显著关联。敏感性分析表明，纳入生育期后土壤-真菌关联大幅减弱。

籽粒产量与土壤化学和根系真菌的关联

环境、氮肥和品种对籽粒产量均有显著主效应。土壤硝态氮是唯一与产量显著相关的变量且呈负相关。DSE和AMF定殖率均与籽粒产量无显著关联。

四、讨论与结论

研究讨论指出，DSE定殖率整体高于AMF定殖率，表明DSE是冬小麦根系真菌定殖的重要组成部分而非次要成分。但研究人员强调，较高的%RLC仅代表更大的根长定殖范围，并不等同于更大的真菌生物量、活性、生态重要性或对宿主的益处。AMF对土壤扰动的敏感性和耕作的不利影响已有充分文献支持，常规耕作Aurora_T环境中AMF定殖率较低与此一致；而DSE的兼性生活方式可能使其在耕作后具有更强的持续或扩散能力，这可能是Aurora_T环境中DSE定殖率较高的因素之一。但由于生产环境还涉及土壤和其他管理条件的差异，不能将Aurora_T较高的DSE定殖率单独归因于耕作方式。研究假设H1得到部分支持：两类真菌在环境、生育期和品种方面的预期模式均得到验证，但氮肥响应与预期不符——DSE定殖率在施氮下显著下降，而AMF未受显著影响。研究结论为：DSE是冬小麦根系定殖中数量可观且对环境因子敏感的组成部分，其变化模式与AMF显著不同；对两类真菌类群进行同步评价为理解综合小麦生产系统中的根系真菌生态学提供了比较框架。