植物演化历史与环境筛选塑造全菌根异养植物Monotropastrum humile中Russulaceae共生关系

《Plant Diversity》：Plant evolutionary history and environmental filtering shape Russulaceae associations in the fully mycoheterotrophic plant Monotropastrum humile

　　

对分布于日本的*Monotropastrum humile*进行全基因组单核苷酸多态性(SNP)分析，研究人员解析出至少四个隐存谱系；红菇科(Russulaceae)在该植物的菌根真菌群落中占绝对优势；植物系统发育强烈塑造了红菇科共生伙伴的组成；气候与植被进一步驱动了红菇科伙伴的周转；地下共生关系表现出隐存谱系间的生态分化。

菌根共生关系影响植物的分布、生态特化和多样化。外生菌根(EcM)真菌为宿主植物提供土壤养分并获取光合产物，而全菌根异养植物则完全通过真菌获取碳源。在杜鹃花科(Ericaceae)中，Monotropoideae亚科演化出全菌根异养，通常与特定的EcM真菌高度专一。*Monotropastrum humile*分布广泛但地理破碎，且其种子传播部分依赖不能飞行的无脊椎动物，是研究种内菌根专化和生态分化的理想材料。然而，种内植物演化历史是否预测真菌伙伴组成，以及气候、植被等环境因子如何参与调控伙伴更替，仍不清楚。为此，研究人员整合全基因组SNP和真菌群落数据，检测日本范围内*M. humile*不同遗传谱系的菌根伙伴组成及其环境关联。

研究人员采集了日本48个种群共87个*M. humile*个体，涵盖多种森林类型。利用MIG-seq技术获得全基因组SNP并构建植物最大似然系统发育树；利用ITS2扩增子测序解析根相关真菌群落。共系统发育分析采用广义UniFrac距离和Mantel检验；真菌OTU的植物关联广度用d′、净相关指数(NRI)和最近类群指数(NTI)衡量；环境效应采用基于距离的冗余分析(dbRDA)。结果表明，*M. humile*包含至少四个形态隐存的遗传谱系，红菇科(Russulaceae)真菌在其菌根群落中占绝对优势；植物系统发育强烈影响红菇科伙伴组成，年均温、年降水量和植被类型也在控制地理结构后解释额外的伙伴更替。研究揭示了隐存谱系间的地下生态分化，提示菌根互作可能参与维持或推动隐性植物多样性的分化。

**全基因组SNP揭示形态隐存的植物谱系**：通过对87个个体的MIG-seq数据进行SNP检测，共获得52,681个SNP，最大似然分析将*M. humile*划分为至少四个高支持率的分支。Clade 1主要分布于日本南部和西部，Clade 2集中于中部和北部，Clade 3呈现明显不连续分布且花期约晚一个月，Clade 4局限于静冈县两个高海拔地点。所有个体形态上均符合*M. humile*，未发现可将SNP分支分开的形态性状。

**红菇科真菌在植物谱系间主导真菌群落**：在合并的EcM和推定杜鹃花类菌根(ErM)数据集中，红菇科占52/120个OTU，标准化序列数占87.0%；其余主要为ErM相关的*Hyaloscypha*和*Oidiodendron*。EcM数据集中，*Russula*占EcM序列的82.7%，*Lactarius*占9.7%，*Lactifluus*占3.4%。Clade 3的所有个体虽跨越约470公里和不同森林类型，却几乎完全由单一*Russula* OTU OTU00174主导；Clade 4主要关联近缘的*Russula* OTU00663和OTU00516。

**植物系统发育影响真菌伙伴组成**：基于广义UniFrac距离的Mantel检验显示，合并EcM+ErM网络具有显著的植物侧共系统发育信号(r = 0.200, P < 0.001)，真菌侧信号较弱但显著(r = 0.075, P = 0.0015)。EcM数据集也表现显著的双侧信号。Russulaceae数据集的植物侧信号更强(r = 0.398, P < 0.001)，真菌侧为r = 0.185 (P < 0.001)。ErM数据集未检测到显著植物侧信号(r = 0.039, P = 0.282)，但真菌侧显著(r = 0.163, P = 0.0108)。非红菇科EcM数据集因样本稀少未检测到显著植物侧信号。所有度相关检验均不显著，表明系统发育结构主要反映伙伴组成而非伙伴数量。

**OTU水平关联广度与系统发育聚类**：OTU水平指标显示，红菇科OTU的d′中位数(0.948)显著高于其他EcM真菌(0.400)和ErM真菌(0.400)，表明红菇科OTU对特定植物谱系的选择性更强。红菇科OTU的NRI中位数(2.96)也显著高于其他EcM(?0.90)和ErM(1.29)，且NRI和NTI均显著大于零，说明红菇科关联的植物个体在系统发育上聚集。ErM真菌的NRI和NTI也显著为正但中位数较低，其他EcM真菌则与零无显著差异。

**环境因素对红菇科伙伴周转的作用**：以经纬度作为条件变量的偏dbRDA显示，年均温(F = 6.86, P = 0.0001)、年降水量(F = 2.85, P = 0.0245)和植被类型(F = 1.81, P = 0.0187)均显著解释红菇科伙伴组成变化，整体模型调整R² = 0.117。说明除地理结构外，气候和植被对红菇科伙伴周转具有独立贡献。

讨论部分指出，*M. humile*的菌根关联同时带有植物演化历史和气候植被过滤的印记，但不同真菌类群信号强度不均。红菇科承担了主要的植物侧系统发育结构，ErM和稀有的非红菇科EcM关联则较分散。Clade 3与单一*Russula* OTU在巨大地理和环境跨度下保持稳定关联，与植物遗传因素参与专一性一致，但不能据此推断主动选择。结论翻译：在*Monotropastrum humile*中，植物演化历史强烈塑造红菇科伙伴组成，气候和植被贡献额外更替；形态隐存植物谱系与不同红菇科组合的对应关系，揭示了形态学无法捕获的生态分化维度。谱系关联的菌根互作可能参与维持或促进隐存植物多样性的分化，但还需互作亲和性实验和直接测定周围真菌可利用性来确证其机制。