【LorMe周刊】共生的伴侣：AMF根外菌丝上的保守细菌群落

作者：李培根，南京农业大学硕士在读，主要研究丛枝菌根与铁载体细菌互作。

周刊主要展示LorMe团队成员优秀周报，每周定期为您奉上学术盛宴！本期周刊介绍丛枝菌根（AMF）的根外菌丝（ERH）在土壤中与土壤微生物相互作用，与周围土壤相比形成了具有自己独特且保守的微生物类群。原文于2021年发表在《The ISME Journal》上。

导读

在自然生态系统中，丛枝菌根真菌 ( AMF ) 的根外菌丝 ( ERH ) 从植物根部延伸到土壤环境，已经发现多种细菌能够附着在ERH，形成具有重要功能的ERH相关细菌群落。这些细菌群落的特征如何？真菌种类和土壤养分状况对ERH相关细菌群落组成是否有影响？在时间动态下他们又是如何建立与演替？为了解答上述问题，本研究通过分别在三种不同类型土壤中提取两种不同AM真菌的ERH进行16S rDNA分析，发现不同真菌ERH上存在着类似的细菌群落，并且这些ERH细菌群落在三种不同类型土壤中也相似，但他们的组成与周围土壤不同，随后进一步研究ERH细菌群落建立和演替随时间的动态变化。

主要结果

一、背景土壤ERH相关的细菌群落特征分析

本研究利用围隔实验来区分与ERH相关的细菌群落，围隔由一个植物隔间和一个菌丝生长核心组成，从中提取ERH菌丝样本，土壤泥浆样本，土壤样本(图1a)，对其中ERH样品处理后，可以很明显看到ERH上附着的细菌（图1b）。对各样本进行16S rDNA基因序列分析揭示了一个与G. versiforme相关的ERH独特细菌群落，ERH核心样本在PCoA主轴上与土壤泥浆和大块土壤样本明显分离(图1c)，随后对来自Dryden，Florence和Pendleton的三种田间土壤分别建立了三个重复的围隔，这些土壤在质地和碳含量上是不同的（图1a），得到的ERH样本的群落组成在不同土壤中是一致的，与土壤泥浆相比ERH样本相对丰度显著增加的细菌类群在目水平上包括：β变形菌目(Betaproteobacteriales), 粘球菌目(Myxococcales), 纤维杆菌目(Fibrobacterales), 噬纤维菌目(Cytophagales), 绿弯菌目(Chloroflexales) 和纤维弧菌目(Cellvibrionales)（图1d）。

图1 a围隔设计和样品处理。b从左上方顺时针:核心ERH样品，用通用细菌探针EUB338-Alexa 594进行荧光原位杂交，ERH的细菌，ERH的明场图像，土壤泥浆样品的明视野图像。c样本类型和土壤之间的差异。d ERH样本的群落组成在不同土壤中是一致的。

二、ERH相关细菌在科和目上基本保持不变

那么真菌种类和土壤养分状况对ERH相关群落组成是否有影响呢？在（一）的基础上，作者使用了两种AM真菌，Glomus versiforme和Rhizophagus irregularis，在Dryden与Florence土壤中与二穗短柄草共生培养，并设置低磷和低氮的处理。结果显示R. irregularis对菌丝群落具有更强的选择，在Dryden土壤中，R. irregularis ERH样品中富集的asv有236个，而在G. versiforme样品中富集的asv有88个(图2)。两种真菌的种类分布相似，但在R. irregularis样品中Alphaproteobacteria和Gammaproteobacteria的富集程度较高。样品类型和真菌种类对细菌群落均有显著影响，但施肥方式的影响不显著。R. irregularis和G. versiforme中与ERH相关的细菌群落组成在科和目水平上基本保持不变，变异在较低的分类等级上表达。单个菌丝ASVs的富集主要与特定的土壤有关（图2）。

图2 ERH相关细菌群落在三种土壤和真菌物种之间的家族和顺序水平上基本上是保守的。

三、 时间动态影响ERH相关细菌群落的组成

那么在时间尺度上菌丝细菌群落的建立与演替是怎么样的呢？本研究设置一个时间进程实验，在插入后14至65天之间对菌丝生长核心取样，以确定观察到的群落中建立或演替的时间曲线。14天后建立了一个独特的ERH相关群落，随着时间的推移，该群落组成逐渐与土体土壤和土壤泥浆样品区分开来(图3b)，菌丝ASV的数量比例从14天的17.2%增加到65天的40.4%。一些类群建立较早，但随着时间的推移数量减少，包括来自BIrii41家族的ASV，一些酸性细菌和独岛（γ蛋白细菌)(图3c)，而粘球菌ASV的丰度随时间逐渐增加。β蛋白细菌目也是菌丝样品的早期定殖者，但是随着时间的推移，随着一些ASV的丰度降低，其他ASV的丰度增加，该组中出现了周转。同时，噬纤维菌目（Cytophagales）, 绿弯菌目（Chloroflexales）, 和纤维杆菌目（Fibrobacterales）随着时间的推移大量增加。从这个实验中我们可以看到菌丝附着群落的动态建立，如何一步步与土壤和土壤泥浆样品出现差别，是哪些细菌群落对菌丝产生了响应。

图3  a主坐标分析显示样本类型和AM真菌种类之间的差异。b随着时间的推移样本类型和AM真菌种类之间的差异。c在DESeq2方差稳定化转换之后，序列计数的热图显示了ASV丰度随时间的变化。

结论

本研究展示的菌丝相关细菌群落表明某些细菌类群对参与真菌生命进程具有普遍适应性，当单个菌株与真菌相互作用并在既定环境中竞争时，真菌物种和土壤中会出现群落的过滤筛选。这种与AMF相关的微生物群落的分析对未来的工作有指导意义，以便进一步了解真菌-细菌的相互作用，同时鉴定对AMF有益或有害的生物。将该分析方法扩展到AMF相关微生物群落的基因和功能，可以帮助我们更好地了解不同微生物间的生态关系。

论文信息

原名：Conserved and reproducible bacterial communities associate with extraradical hyphae of arbuscular mycorrhizal fungi

译名：丛枝菌根真菌的根外菌丝具有保守和可培养的细菌群落

期刊：The ISME Journal

发表时间：2021.3

通讯作者：Maria J. Harrison

通讯作者单位：博伊斯·汤普森研究所