题目：A core microbiome in the hyphosphere of arbuscular mycorrhizal fungi has functional significance in organic phosphorus mineralization

发表杂志：New Phytologist

发表时间：2022年11月29日

通讯作者：Gu Feng (冯固)

第一作者：Letian Wang (王乐田); Lin Zhang (张林)

通讯单位：

1.中国农业大学资源与环境学院 (College of Resources and Environmental Sciences, National Academy of Agriculture Green Development, China Agricultural University, Beijing 100193, China)

2.英国詹姆斯•霍顿研究所 (The James Hutton Institute, Invergowrie, Dundee DD2 5DA, UK)

影响因子：10.32

DOI：https://doi.org/10.1111/nph.18642

原文链接：https://nph.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/nph.18642

- 摘要 -

菌根途径是大多数陆生植物吸收磷的重要途径。丛枝菌根（AM）真菌相关的菌丝际微生物组被认为是菌根吸磷途径的第二基因组，发挥着活化土壤有机磷（Po）的功能。然而，菌丝际是否存在一个核心微生物组及其是否参与Po活化过程，目前尚不清楚。我们在潮湿、半干旱和干旱地区建立了田间试验，并在温室中选用特定AM真菌种类和不同土壤类型进行了盆栽实验，以回答上述问题。结果表明，AM真菌菌丝际微生物组增强了土壤磷酸酶活性，并促进了所有试验点Po矿化。虽然菌丝际微生物组受到环境因素的显著影响，但我们在三个地点和随后的盆栽实验中检测到了一个稳定的核心集合。这些核心成员在菌丝际富集，且主要以Alphaproteobacteria，Actinobacteria，和Gammaproteobacteria为主。此外，这些核心细菌成员在共现网络中聚集成稳定的模块，有助于磷酸酶的活性。综上所述，菌丝际核心微生物组在分类学上保守，并提供了AM真菌所缺乏的Po矿化的功能。

- 前言 -

丛枝菌根（AM）真菌因其分布广泛、提供关键生态系统服务以及与植物和土壤微生物的特殊相互作用而被广泛认为是生态研究的模式生物。值得注意的是，AM真菌根外菌丝通过释放C到菌丝际中招募特定的细菌类群（即菌丝际微生物组），反过来，菌丝际细菌为AM真菌提供土壤养分。大量有关AM真菌生物学的研究表明，AM真菌本身可能不具备分泌磷酸酶活化有机磷的能力，这意味着AM真菌对有机养分的利用需要依赖于细菌的参与。尽管在田间条件下，多种AM真菌已被证明可以同时定植作物根部，而根外菌丝会招募复杂和特定的细菌群落，从而形成复杂的相互作用网络。但是最近的研究通常只关注低磷细菌群落组成，而很少考虑它们的潜在相互作用。

迄今为止，一对一（一种AM真菌与一种细菌）实验为我们提供了关于特定AM真菌-微生物相互作用的详细信息，但它们过度简化了复杂的AM真菌-细菌系。接下来，我们通过实地调查复杂的AM真菌和菌丝际细菌群落，将AM真菌-细菌相互作用的范围扩展到多对多系统（多种细菌在多种AM真菌的菌丝中定殖）。本研究中，我们选取了分别位于湿润、半干旱和干旱气候区的三个实验点，我们的目的是评估AM真菌和菌丝际细菌之间复杂相互作用的共现模式，以及它们相互作用在三个实验地点的土壤养分循环中的潜在作用。我们假设：（i）菌丝际细菌群落在不同气候区/土壤类型和AM真菌群落之间存在差异。（ii）菌丝际细菌群落包含一个与更高的磷酸酶活性和有机磷（Po）矿化相关的核心微生物组。

- 主要结果 -

①AM真菌-菌丝际细菌互作促进了土壤Po的矿化

我们使用“菌丝生长管”在田间原位条件下建立了有或者无菌丝生长的环境。二者比较可以评估AM真菌-菌丝际细菌互作对土壤Po矿化的影响。结果表明，菌丝生长的土壤环境中，Olsen-Pi和Olsen-Po显著降低（图1a，b），而ALP和ACP活性显著增加（图1c，d）。

图1 AM真菌-细菌互作对Po利用的影响

菌丝室土壤（菌丝进入生长管处理）减掉土体土（菌丝无法进入生长管处理）的所得到的差值：（a）速效无机磷，（b）速效有机磷，（c）碱性磷酸酶，（d）酸性磷酸酶。

② 群落水平上AM真菌诱导菌丝际微生物组的变异

不同地点的菌丝际微生物组的差异是由环境因素和AM真菌群落共同导致的。因此，我们使用协惯性分析（CoIA）来探究AM真菌和菌丝际细菌群落之间的关系。CoIA结果显示AM真菌和菌丝际细菌群落之间存在显著的协同共变异（RV=0.29，P<0.05；图2a），箭头长度表示每个样本AM真菌和低磷细菌群落之间的一致性程度，在最短的长度中观察到最佳一致性。箭头长度在三个试验点之间没有明显的变化模式，表明试验点之间环境因素的差异不是AM真菌和菌丝际细菌群落一致性的决定因素（图3a）。方差分解进一步支持AM真菌和菌丝际细菌群落之间的稳健关联，AM真菌群落解释了菌丝际细菌群落中19%的变异性，大于环境因素和植物物种（图3b）。

图2 AM真菌和菌丝际细菌群落之间的关系

（a）CoIA分析显示了AM真菌和菌丝际细菌群落在共惯性平面上的投影。每个箭头的底部（实心圆圈）代表AM真菌群落，而尖端代表细菌群落。（b） AM真菌群落、环境因素和植物种类对菌丝际细菌群落的方差分解。（c）AM真菌属在共惯性平面上的投影。（d）菌丝际细菌属在共惯性平面上的投影。

③ 鉴定菌丝际富集的OTUs（hyphosphere-specific enriched OTUs, hsOTUs）

我们分析了与土体土土相比，每个地点菌丝际细菌OTUs的富集情况，并通过曼哈顿图对其进行了可视化（图3a）。为了确定与AM真菌关系密切的细菌类群，我们进一步计算出三个实验地点菌丝际富集的细菌OTUs的交集：82个hsOTUs（图3b）。这些hsOTUs仅占样品中检测到的所有细菌OTUs总数的0.3%，但其累计相对丰度高达21%-30%。此外，我们注意到，高达60%的hsOTUs同时属于non-ssOTUs（丰度在三个实验地点之间不存在显著差异的细菌OTUs），表明其丰度相对稳定。

图3 菌丝际定殖着特定的细菌类群

（a）曼哈顿图显示了与土体土相比，菌丝际显著增加或降低的细菌OTUs。（b）VENN图显示了三个实验点菌丝际显著富集的细菌OTUs的交集（即hsOTUs）。（c）82个hsOTUs的分类学组成。

④ hsOTUs在网络中的分布模式

我们构建了AM真菌-菌丝际细菌的跨界互作网络，并计算网络模块，重点关注hsOTUs在网络中的分布模式（图4a）。结果表明，模块4包含了较大比例的hsOTUs，较小比例的ssOTUs（不同实验地点之间相对丰度存在显著差异的细菌OTUs）（图4a，b）。这表明模块4是一个相对稳定且与AM真菌关系密切的模块。进一步，发现模块4的相对丰度与ALP或ACP活性之间存在强烈且显著的正相关，这表明模块4在Po的矿化中发挥了相当大的作用（图4c）。

图4 hsOTU，ssOTUs和non-ssOTUs在网络中的分布模式

（a）共现网络显示了菌丝际细菌OTUs和AM真菌OTUs之间的显著相关性。（b）网络主要模块中hsOTUs和ssOTUs的数量。（c）ALP或ACP活性与模块的相对丰度之间的相关性。

⑤ 盆栽实验验证hsOTUs的稳定性

田间条件下对菌丝际细菌群落进行表征后，我们试图控制环境参数的扰动，并针对特定的AM真菌物种，以获得hsOTU分类组成稳定性的进一步证据，以及它们与Po活化的联系。因此，我们通过接种R. intraradices，并使用与田间试验相对应的土壤类型，进行了隔网分室盆栽实验。

盆栽实验与田间试验数据分析的过程一致，我们同样定义了ssOTUs，non-ssOTUs和hsOTUs。纲水平上，盆栽试验与田间试验中hsOTUs的分类学组成类似（图5b）。在菌丝际细菌互作网络中，hsOTUs形成了稳定的、独立的模块，且模块丰度与磷酸酶活性显著相关（图5c-e）。

图5 盆栽实验中土壤类型对菌丝际微生物组的影响

（a）不同土壤类型下菌丝际细菌群落PCoA分析。（b）田间试验和盆栽实验中hsOTU的分类学组成的比较。（c）菌丝际细菌共现性网络。（d）网络中模块的组成。（e）网络模块与磷酸酶活性的相关性。

- 讨论 -

单一植物根系中存在广泛的真菌多样性，而共定殖真菌的根外菌丝被复杂的细菌群落定殖。尽管这种真菌-细菌相互作用对许多生物地球化学过程至关重要，例如土壤C、N和P的周转和循环，但对跨界联合体如何影响重要的生态功能以及是否存在一个普遍的功能性细菌群体还不太清楚。在本研究中，我们在三个气候区进行了实地采样，并通过受控盆栽实验进一步验证了我们的发现。我们的结果表明，尽管AM真菌在每种土壤类型中都有不同的细菌群落，但一些细菌成员始终在菌丝际中富集，并聚集在真菌-细菌相互作用网络中的一个独立模块中。此外，它们的丰度与磷酸酶活性显著相关，这表明AM真菌细菌群落在广泛的环境中共享一个与Po矿化功能相关的核心微生物组。

- 第一作者-

中国农业大学

资源与环境学院

王乐田

博士研究生

中国农业大学

资源与环境学院

张林

副教授

博士生导师

- 通讯作者 -

中国农业大学

资源与环境学院

冯固

教授

博士生导师

冯固，中国农业大学教授，博士生导师。主要研究植物-微生物合作机制、研究机制根际营养过程与调控工作。主持国家重点开发项目、国家自然基金多项。

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