中医科学院中药研究所陈士林团队：植物-真菌保守性互作新模式

研究背景

植物和与之协同进化的微生物之间产生的相互作用，被认为可以促进景观形成和服务生态系统，但真菌群落和植物进化之间的关系以及其相互作用模式的特点仍不清楚。皂苷是人参属植物产生药理作用的主要生物活性物质，明确入侵生物与皂苷多样性之间的关系有助于从微生物角度探索皂苷生物合成进化的潜在机制。

凌恩生物客户中国中医科学院中药研究所陈士林团队近期在《Science of the Total Environment》发表“Evidence for saponin diversity–mycobiome links and conservatism of plant–fungi interaction patterns across Holarctic disjunct Panax species”研究论文，文章中对三种人参属植物共405个样本的真菌群落进行了研究。植物-真菌相互作用模式的潜在保守性和宿主进化角度表明，三种人参物种在与真菌生物群功能需求相关的自然选择压力方面是相似的。

发表期刊：Science of the Total Environment(IF=7.963)

发表时间：2022.2

合作单位：中国中医科学院中药研究所

样本类型：土壤 叶片

DOI: 10.1016/j.scitotenv.2022.154583

实验设计

本研究在中国Panax ginseng (PG), P. quinquefolium (PQ), P. notoginseng (PN)核心产区进行大规模抽样，取生长2、3、4年的植株以供研究。从空白土壤（BS）、根际土壤（RS）、根内（RE）、叶内（LE）和叶表（LP）五个“隔室”（生态位）中采集了总共405个样本，开展ITS真菌高通量测序。

图 生物分组及采样流程图

研究结果

1、真菌群落α-多样性

本研究很好地涵盖了真菌生物多样性，植物隔室（即不同生态位来源样本）对α-多样性变化的影响最大，而植物物种、地点组和生长年份仅解释了少数变化（图 1b.c）

图1a 采样流程；b.c  真菌群落 α 多样性

2、植物隔室主导真菌群落变异模式

探索不同隔室中真菌群落的β多样性，地上隔室的真菌群落变化显著低于地下隔室，并且在三种植物物种中一样（图 2a）。分类群转移模型显示 LE 和 RS 中的菌群主要分别来自 LP 和 BS（图 2e）。地上隔室以 Dothideomycetes 为主，隔室主导了真菌群落的变异，不同隔室中的真菌群落在植物效应和变异模式方面存在差异。

图2 真菌群落的 β 多样性和组成模式

3、真菌中的普遍种群动态模式

差异重叠曲线 (DOC)用于评估真菌群落的种群动态是否普遍。DOC 显示 rJSD 与在每个单独隔室的真菌群落、植物相关真菌群落和所有群落的高重叠值下的重叠之间存在明显的负相关性（图3），表明普遍动力学的存在。

图3 菌群的差异重叠曲线

4、利用中性模型预测真菌群落与植物-真菌相互作用模式

研究在人参属(I)和种(II)水平上用中性模型来拟合所有植物物种的每个隔室中真菌类群的出现频率和相对丰度，中性模型很好地描述了真菌类群的发生频率（图4a-e）。中性模型在所有隔室中都优于二项式分布模型。在植物相关的菌群中，许多分类群的频率明显高于或低于基于它们在群落中的相对丰度预测的频率。

图4 人参菌群的中性模型

（AT：菌群丰度高于模型预测；BT：菌群丰度低于模型预测；NT：遵循中性模型分布）

在中性模型 I 中，AT 可能被三种人参物种一致选择，而 BT 可能被人参属排斥，因此只能在某些物种的少数个体中或跨不同物种增殖。在中性模型 II 中，AT 倾向于被相应的宿主物种主动选择。中性模型 I 中的 AT 和 BT 表现出显著的系统发育聚类（NTI > 1.96），而 NT 在所有植物隔室中表现出系统发育随机分布（|NTI| < 1.96）（图 5a）。中性模型 I 叶内中的 BT，潜在植物病原体OTU数量和相对丰度都比其他两个隔室更高（图 5b）。

这些结果表明，分布频率显著偏离中性模型的菌群可能是相反的植物-真菌相互作用模式的结果。

图5  基于中性模型的系统发育结构和植物病原体比率

5、利用中性模型探究皂苷多样性的最佳预测因子

三种人参物种中具有不同类型和含量的人参皂苷（图6a）。中性模型I中，LP 和 RE 的 BT 变化分别在预测叶和根的皂苷分布方面表现出最强的能力（图 6b ），使用属水平的真菌丰度作为解释变量进行随机森林回归分析，结果表明BT变化最能反映人参物种中皂苷的多样性。

图6 皂苷多样性与基于中性模型的分区变化之间的关联

6、人参属植物真菌系统发育聚类模式

三种人参选择的真菌类群是否在生态上相似，使用中性模型 II 进行分析探讨。PCoA分析表明，三种人参物种在每个植物隔室中接受或者排斥生态相似的真菌类群，并且可能选择的类群在不同植物中表现出生态相似性（图 7a-d）。

图7 基于中性模型II的分区之间的系统发育距离

综上所述，入侵生物与皂苷多样性之间的密切联系的发现有助于从微生物的角度探索皂苷生物合成进化的潜在机制。由于发现人参物种间生态相似性，得出植物-真菌相互作用相关的遗传在植物中进化上保守性的可能性结论，这种特定类群的跨生态位生态相似性可能将植物作为一个整体考虑的研究可能会为植物-微生物相互作用提供新的见解。

参考文献
Evidence for saponin diversity–mycobiome links and conservatism of plantfungi interaction patterns across Holarctic disjunct Panax species. Science of the Total Environment, 2022.

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