摘 要:【目的】陸均松和青梅是海南島熱帶雨林中珍稀瀕危樹種。研究陸均松和青梅葉際真菌群落多樣性和結(jié)構(gòu)組成及其環(huán)境驅(qū)動因子,為未來利用微生物群落提供的有益功能來提高珍稀瀕危植物生長適應(yīng)性提供理論依據(jù)?!痉椒ā客ㄟ^對陸均松和青梅葉際真菌樣品進行高通量測序,分析葉際真菌群落α、β多樣性和群落組成,并闡明其主要環(huán)境驅(qū)動因子?!窘Y(jié)果】1)本研究共分析檢測到10 489個OTU,其中包括真菌10門40綱。陸均松和青梅的葉表共有OTU為523(4.99%),葉內(nèi)共有OTU僅為9(0.09%)。2)優(yōu)勢菌綱包括:座囊菌綱(Dothideomycetes)、散囊菌綱(Eurotionmycetes)、銀耳綱(Tremellomycetes)。其中青梅葉內(nèi)的座囊菌綱相對豐度顯著大于其他物種和隔室(P<0.01)。3)葉表真菌α多樣性均高于葉內(nèi),但在不同物種上葉際真菌多樣性差異不顯著,物種變化解釋了葉際真菌群落組成差異的13.57%(P<0.001);4)葉際真菌α多樣性與葉片pH值、溫度呈顯著正相關(guān)(pH:R2=0.16,P<0.001;Tem:R2=0.16,P<0.001),同時與降水量呈顯著負相關(guān)(Rain:R2=0.35,P<0.001)。CCA分析結(jié)果顯示,Mg、降水量對葉表真菌群落組成的解釋度分別為:71.29%、69.33%;pH值、Mg對葉內(nèi)真菌群落組成的解釋度分別為:62.48%、61.51%。5)置換多元方差分析(PERMANOVA)結(jié)果說明全氮(TN:R2=0.13,P=0.001)、全磷(TP:R2=0.12,P=0.001)、Mg(Mg:R2=0.14,P=0.001)、降水量(Rain:R2=0.13,P=0.002)是陸均松和青梅葉際真菌組成差異的主要驅(qū)動因子?!窘Y(jié)論】物種變化顯著影響了葉際真菌群落,全氮(TN)、全磷(TP)、Mg是驅(qū)動陸均松和青梅葉際真菌群落組成差異的主要影響因子。
關(guān)鍵詞:青梅;陸均松;葉際真菌;多樣性;影響因子
中圖分類號:S791.47 文獻標志碼:A 文章編號:1673-923X(2024)07-0110-09
基金項目:海南省重點研發(fā)項目(ZDYF2024SHFZ096);國家自然科學(xué)基金項目(32271603);海南儋州熱帶農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)國家野外科學(xué)觀測研究站開放課題(RRI-KLOF202405);天然橡膠產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系橡膠園生態(tài)崗位科學(xué)家經(jīng)費項目(CARS-33-ZP3)。
Diversity characteristics of phyllosphere fungal communities and their influencing factors in Dacrydium pectinatum and Vatica mangachapoi
JI Kepeng1,2, LAN Guoyu2,3, WEI Yaqing2,3, XU Xinnuo1
(1. College of Tropical Agriculture and Forestry, Hainan University, Danzhou 571737, Hainan, China; 2. Rubber Research Institute, Chinese Academy of Tropical Agricultural Sciences, Haikou 571101, Hainan, China; 3. Hainan Danzhou Tropical Agro-ecosystem National Observation and Research Station, Danzhou 571737, Hainan, China)
Abstract:【Objective】Dacrydium pectinatum and Vatica mangachapoi are rare and endangered species in the tropical rainforests of Hainan Island. Investigating the diversity and structural composition of phyllosphere fungal communities and their environmental drivers in D. pectinatum and V. mangachapoi, which can provide a theoretical basis for the future utilization of the beneficial functions provided by microbial communities to improve the growth adaptability of rare and endangered plants.【Method】The high-throughput sequencing method was used to analyze phyllosphere fungal samples from D. pectinatum and V. mangachapoi, which explored the α and β diversity and community composition of the phyllosphere fungal communities and to elucidate their main environmental drivers.【Result】1) A total of 10 489 OTUs were analyzed and detected in this study, including 10 phyla and 40 orders of fungi. The leaf surface shared OTU was 523 (4.99%) and the leaf inner shared OTU was only 9 (0.09%) in D. pectinatum and V. mangachapoi. 2) The dominant class included: Dothideomycetes, Eurotionmycetes, and Tremellomycetes. Among them, the relative abundance of Dothideomycetes on the leaf inner of V. mangachapoi was significantly greater than that of other species and compartments (P<0.01). 3) All leaf surface fungalα-diversity was higher than leaf inner, but the difference between phyllosphere fungal diversity was not significant across species, with species variation explaining 13.57% of the variation in the composition of the phyllosphere fungal community (P<0.001). 4) Phyllosphere fungal α-diversity showed a significant positive correlation with leaf pH and Temperature (pH: R2=0.156, P<0.001; Tem: R2=0.164, P<0.001), and also significantly negatively correlated with rainfall (Rain: R2=0.345, P<0.001). The results of CCA analysis showed that Mg and rainfall explained 71.29% and 69.33% of the fungal community composition on the leaf surface, and pH and Mg explained 62.48% and 61.51% of the fungal community composition within the leaf inner, respectively. The PERMANOVA analysis indicated that total nitrogen(TN: R2=0.13, P=0.001), total phosphorus (TP: R2=0.12, P=0.001), Mg (R2=0.14, P=0.001), and Rainfall (Rain: R2=0.13, P=0.002) were the main drivers of the differences in the composition of the phyllosphere fungi of D. pectinatum and V. mangachapoi.【Conclusion】Species variation significantly affected the interleaf fungal community, with TN, TP and Mg being the main influences driving the differences in the composition of the phyllosphere fungal community between D. pectinatum and V. mangachapoi.
Keywords: Vatica mangachapoi; Dacrydium pectinatum; phyllosphere fungal; diversity; influencing factors
微生物多樣性是生物多樣性研究的重要課題之一[1]。在大自然中微生物可以寄生在植物內(nèi)部、表面和其他部位,這些微生物統(tǒng)稱為植物微生物[2]。植物的葉際就是一個復(fù)雜的生態(tài)系統(tǒng),其中葉際包括葉附生和葉內(nèi)生微生物群落[3]。葉際上棲息著大量的微生物類群[4-5],真菌是不可忽視的一部分。這些微生物和植物共同構(gòu)成了一個“共生有機體”,他們之間一直存在著相互作用[6-7]。近年來國內(nèi)對熱帶雨林中的土壤和根際微生物開展了很多,包括多樣性特征、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、地理格局等等[8-11]。然而,對于葉際微生物組的研究卻滯后于土壤和根際微生物組[12-13]。因此,通過探究不同植物葉際微生物群落的多樣性特征和結(jié)構(gòu),對研究復(fù)雜獨特的葉際微生物生態(tài)系統(tǒng)具有重要意義,也為了解植物與微生物互作奠定了基礎(chǔ)。
葉際微生物是植物與環(huán)境長期選擇和協(xié)同進化的結(jié)果[14]。目前,已有許多研究表明葉際微生物受到非生物因素和生物因素的影響。比如:宿主種類、鄰域效應(yīng)、宿主選擇、地理位置等[15-19]。植物的葉片(葉附生和內(nèi)生)代表了不同的棲息環(huán)境,棲息在上面的微生物面臨的脅迫和可利用的養(yǎng)分也不同。在一項探究葉附生和內(nèi)生細菌群落組裝機制的研究中,發(fā)現(xiàn)葉附生和內(nèi)生細菌群落之間存在明顯的組成差異,并且附生細菌多樣性遠高于內(nèi)生細菌[20]。在紅樹植物葉際真菌群落中也發(fā)現(xiàn)附生真菌和內(nèi)生真菌的群落組成差異顯著[16]。植物種類是影響葉際微生物群落組成的主要因素之一[21-22],植物宿主作為微生物的載體,其自身的特性是導(dǎo)致葉際微生物群落差異的重要原因。劉利玲等[23]在對青楊葉際微生物的研究中,發(fā)現(xiàn)真菌群落結(jié)構(gòu)和葉片含水量呈顯著相關(guān)。Li等[24]發(fā)現(xiàn)了葉片的鈣含量有力地解釋了不同宿主性狀對細菌和真菌群落組成和多樣性的影響。植物葉際常年暴露在空氣中,棲息在此處的微生物會面臨著干燥、高溫以及營養(yǎng)匱乏的惡劣條件[25],這就導(dǎo)致了環(huán)境條件中的溫度、濕度等因素在很大程度上影響了葉際微生物群落。然而環(huán)境因子在不同空間尺度上存在差異,Wei等[15]在研究不同氣候區(qū)橡膠葉際微生物時,發(fā)現(xiàn)年平均氣溫是葉際真菌群落的主要驅(qū)動因子。
青梅Vatica mangachapoi屬于龍腦香科青梅屬的植物,其是熱帶雨林的指示種。然而由于大規(guī)模砍伐,其天然種群被嚴重破壞[26],因此青梅已經(jīng)被列為國家II級重點保護植物。同時,陸均松Dacrydium pectinatum是羅漢松科Podocarpaceae陸均松屬Dacrydium的珍稀瀕危樹種,也是該屬植物分布于中國的唯一代表種類,其作為海南山地雨林的建群種和優(yōu)勢種,僅分布在中國海南島的霸王嶺、尖峰嶺、吊羅山、五指山等700~1 300 m的山地雨林中[27]。目前關(guān)于陸均松和青梅的研究主要集中于群落結(jié)構(gòu)及多樣性特征調(diào)查、空間分布特征等[28-29],然而有關(guān)青梅與陸均松微生物組學(xué)方面的研究尚無相關(guān)報道。由于宿主-微生物組相互作用對宿主生存的重要性,此研究通過分析青梅和陸均松葉際真菌的群落特征及驅(qū)動因子,為利用植物微生物群落提供的有益功能來增強植物生長和適應(yīng)性提供理論依據(jù),這對研究珍稀瀕危植物應(yīng)對全球氣候變化面臨的挑戰(zhàn)具有重要意義[30]。
1 材料與方法
1.1 研究區(qū)域與樣本采集
本研究以青梅和陸均松為研究對象,取樣地點選取了中國海南島尖峰嶺、五指山、吊羅山、萬寧、霸王嶺。其中在霸王嶺、吊羅山、尖峰嶺、萬寧這4個地方各選取3個青梅林樣方,同樣在吊羅山、尖峰嶺、五指山這3個地方也各選取3個陸均松林樣方,每個研究區(qū)域3個樣地之間距離1~2 km左右。記錄了每個樣地的經(jīng)緯度和海拔。年平均氣溫、年平均降水量數(shù)據(jù)從國家氣象信息中心(data. cma.cn)獲取,用于以下方法的進一步分析。
在每個樣地采集3個重復(fù)的成熟、成對的葉片樣品(附生和內(nèi)生)。重復(fù)取樣相距約100 m,取樣位置為距樹干中心2 m和距地面12 m處。從(即北、南、東、西)的4個主方向選取植物組織樣品,然后混合形成單一的復(fù)合樣品。為了獲得葉表微生物樣品,先將葉放入pbs溶液中,然后進行搖床和超聲波處理,最后進行pbs溶液過濾,所獲得的濾膜需要保存-80 ℃以備將來測序分析。并將采集完葉表微生物的葉片樣品,用于高通量分析檢測葉內(nèi)微生物。最終還將葉樣品的一部分用于理化性質(zhì)的分析。
1.2 DNA提取和PCR 擴增
使用FastDNA? Spin Kit for Soil試劑盒(MP Biomedicals,美國),按照制造商協(xié)議提取樣品中的微生物群落基因組。采用PCR引物ITS1F(5′-CTTGGTCATTTAGAGGAAGTAA-3′)和ITS2R(5′-GCTGCGTTCTTCATCGATGC-3′)對真菌進行聚合酶鏈式反應(yīng)擴增[31],所需條件如下:95 ℃預(yù)變性3 min;95 ℃條件下變性30 s,55 ℃條件下退火30 s;72 ℃條件中延伸45 s;經(jīng)過35個循環(huán),最后72 ℃延伸10 min。所純化后的擴增子在上海美吉生物科技有限公司的Illumina Mi Seq平臺上進行等摩爾和配對測序。
1.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析
利用mothur計算進行Sobs、PD多樣性指數(shù)計算,并進行指數(shù)間的差異檢驗。基于Bray-Curtis算法,用主坐標分析(PCoA)對葉際真菌群落在OTU水平上可視化,還進行了置換多元方差分析(PERMANOVA),以確定環(huán)境變量對陸均松和青皮葉際真菌落差異的解釋度及顯著性。采用多元直接梯度分析(CCA)進行環(huán)境因子和OTU水平上真菌群落之間的關(guān)系分析,線性回歸分析真菌多樣性和環(huán)境變量的相關(guān)關(guān)系。相關(guān)性熱圖通過相關(guān)性數(shù)值(Spearman相關(guān)系數(shù))可視化展示樣本中不同真菌種類與環(huán)境變量之間的關(guān)系。
2 結(jié)果與分析
2.1 陸均松和青梅葉際真菌群落組成
通過高通量測序,在42個葉際真菌樣品中共檢測到10 489個OTU,其中包括真菌10門40綱。在陸均松和青梅葉表、葉內(nèi)中分別有5 127、3 621、7 171、4 848個真菌OTU,青梅葉際真菌OTU均高于陸均松(圖1)。Venn圖顯示青梅和陸均松的葉表共有OTU為523(4.99%),葉內(nèi)共有OTU僅為9(0.09%)。同時陸均松的葉內(nèi)和葉表共有的OTU為1 302(12.41%),青梅的葉內(nèi)和葉表共有的OTU為2 362(22.52%)(圖1)。這一發(fā)現(xiàn)表明葉際真菌群落的組裝受到植物隔室和物種的影響,特別是物種的影響更大。
在門水平上,陸均松和青梅葉際優(yōu)勢菌門依次為:子囊菌門(Ascomycota)、擔(dān)子菌門(Basidiomycota),但他們之間差異不顯著(圖2A)。在綱水平上,優(yōu)勢菌綱包括:座囊菌綱(Dothideomycetes)、散囊菌綱(Eurotionmycetes)、銀耳綱(Tremellomycetes),其中青梅葉內(nèi)的座囊菌綱相對豐度顯著高于其他物種和隔室(P<0.01),而散囊菌綱卻顯著低于其他物種和隔室(P<0.01,圖2B)。
基于Bray-Curtis距離矩陣的主坐標分析(PCoA)結(jié)果顯示:陸均松葉際樣品分布于面板的左側(cè),而青梅分布于面板右側(cè),陸均松和青梅葉際真菌是完全分開聚類。多元置換方差分析(PERMANOVA)顯示物種變化解釋了葉際真菌群落組成差異的13.57%(P<0.001),而隔室變化僅解釋了3.90%(P<0.05,圖3)。這表明樹種身份主要影響了葉際真菌群落組成的差異。
2.2 陸均松和青梅葉際真菌群落多樣性
通過分析Sobs指數(shù)和PD指數(shù),結(jié)果顯示了陸均松和青梅葉際真菌的Sobs指數(shù)和PD指數(shù)差異不顯著,但在同一物種上葉表和葉內(nèi)真菌差異顯著(P<0.05)。不論是Sob指數(shù)還是PD指數(shù),葉表的α多樣性均高于葉內(nèi)(圖4)。這說明相比于物種變化,植物隔室對葉際真菌α多樣性影響更大。
2.3 陸均松和青梅葉際真菌群落與環(huán)境因子的相關(guān)分析
通過線性回歸分析發(fā)現(xiàn),葉際真菌的α多樣性指數(shù)與葉片的pH值、溫度呈顯著正相關(guān)(R2=0.16,P<0.001;R2=0.16,P<0.001),同時與降水量(Rainfall)呈顯著負相關(guān)(R2=0.35,P<0.001)。故pH值、溫度、降水量是影響陸均松和青梅葉際真菌α多樣性的主要因子(圖5)。
通過多元直接梯度分析(CCA),結(jié)果表明Mg、降雨、全氮(TN)、全磷(TP)對葉表真菌群落β多樣性的差異具有顯著影響,解釋度分別為:71.29%、69.33%、56.95%、52.36%。同時pH值、Mg、有機質(zhì)(SOM)、全氮(TN)、全磷(TP)對葉內(nèi)真菌群落β多樣性的差異具有顯著影響,解釋度分別為:62.48%、61.51%、53.22%、49.83%、40.51%(表1)。此外,通過多元置換方差分析(PERMANOVA),結(jié)果顯示陸均松和青梅在葉表真菌群落上的差異主要受全氮、全磷、Mg、降水量(TN:R2=0.13, P=0.001、TP:R2=0.12, P=0.001、Mg:R2=0.14, P=0.001、Rain:R2=0.13,P=0.002)的影響;葉內(nèi)真菌群落差異主要受到全氮、全磷、Mg(TN:R2=0.11,P=0.001、TP:R2=0.10,P=0.001、Mg:R2=0.11,P=0.001)的影響(表2)。同時,陸均松和青皮葉片的全氮、全磷、Mg含量差異顯著(表3)。相關(guān)性熱圖結(jié)果表明,在門水平上,葉際真菌優(yōu)勢門子囊菌門(Ascomycota)與全磷(TP)、全氮(TN)、Mg呈負相關(guān),擔(dān)子菌門(Basidiomycota)與降水量呈負相關(guān)(圖6),這與CCA分析結(jié)果相一致。
3 討 論
通過高通量測序分析方法,本研究發(fā)現(xiàn)了陸均松和青梅葉際真菌的優(yōu)勢菌門均為子囊菌門和擔(dān)子菌門,優(yōu)勢菌綱為座囊菌綱、散囊菌綱。這與前人在不同植物葉際微生物研究中結(jié)果一致[15,32-33]。
已有研究表明植物隔室和宿主種類會影響微生物多樣性和組成[34-36]。本研究結(jié)果顯示不論是陸均松還是青梅,葉表真菌的多樣性均高于內(nèi)生菌,并且差異顯著(P<0.05),但是陸均松和青梅葉際多樣性之間差異不顯著,這說明植物隔室對陸均松和青梅的葉際真菌α多樣性影響更大。在葉抗性性狀與葉內(nèi)生真菌定殖和群落組成之間關(guān)系的研究中,也得出真菌多樣性在不同寄主植物間無顯著差異的結(jié)果,這與本研究結(jié)果一致[37]。然而在紅樹植物研究中,雖然葉表真菌多樣性在不同樹種間差異不顯著,但是在葉內(nèi)真菌群落中卻差異顯著[16]。造成這一結(jié)果的原因很可能是不同宿主植物間所處的外部環(huán)境不同,并且對內(nèi)生菌的過濾作用存在差異[16,38]。此外葉表和葉內(nèi)代表著兩個截然不同的生境,內(nèi)生真菌比附生真菌更多地被宿主植物過濾[39],這可能導(dǎo)致了葉表和葉內(nèi)真菌多樣性的差異。本研究中葉際真菌多樣性與降水量呈顯著負相關(guān),而溫度則反之,是青梅和陸均松的真菌多樣性的主要氣候驅(qū)動因子。氣候是影響自然界中微生物群落的主要因素之一[40-41],例如:干旱加劇增加了石櫟葉際細菌和真豐富度和多樣性[42];增溫使得生長季中后期的橡樹葉際真菌物種豐富度下降[43]。這與本研究結(jié)果不一致,原因是一方面是實驗對象和條件設(shè)置的不同,另一方面則可能是微生物對溫度和水分變化的響應(yīng)存在閾值效應(yīng)[44]。這將會是接下來研究的方向之一。本研究采用了采樣地點的年平均溫度和年平均降水量,這導(dǎo)致了關(guān)于相關(guān)性的研究結(jié)果具有一定的局限性。之后應(yīng)使用樣地氣象儀現(xiàn)場測量的數(shù)據(jù)作為補充。
本研究還發(fā)現(xiàn)物種變化解釋了葉際真菌群落差異的13.57%(P=0.001),而植物隔室變化僅解釋了3.90%(P<0.05)。這說明物種變化對葉際真菌群落的影響更大。葉際微生群落不僅受到葉片理化性質(zhì)的影響,還受到所處環(huán)境條件的影響[19]。由CCA分析可知,Mg、降水量是解釋葉表真菌群落組成最主要的環(huán)境變量,pH值、Mg是解釋葉內(nèi)真菌群落組成最主要的環(huán)境變量。葉際真菌依賴于大氣或葉片中水分和營養(yǎng)物質(zhì),因此這些因素都會影響到群落組成[38]。不同植物由于分類水平和生長環(huán)境的不同,導(dǎo)致了他們?nèi)~片理化性質(zhì)之間的異質(zhì)性,從而影響了微生物的定殖[45]。本研究還發(fā)現(xiàn)了陸均松和青皮葉片的全氮、全磷、Mg含量差異顯著(表3)。置換多元方差分析(PERMANOVA)結(jié)果顯示全磷(TP)、全氮(TN)、Mg在一定程度上解釋了陸均松和青皮葉際樣品上的差異。前人在對不同樹種葉際真菌群落研究中,發(fā)現(xiàn)葉片氮含量是解釋真菌群差異的重要因子之一[18,24]。此外在研究葉性狀對樟科、殼斗科植物葉內(nèi)真菌群落的影響研究中,發(fā)現(xiàn)葉片氮含量是主要因素[46],這與本研究結(jié)果一致。本研究中環(huán)境因子與真菌群落中的優(yōu)勢菌門的相關(guān)性表明(圖6),不同宿主植物葉片上環(huán)境條件的差異可能作為一個生態(tài)過濾器,對某些類群進行選擇,影響葉片上的群落構(gòu)成[47]。
4 結(jié) 論
不管是陸均松還是青梅,葉表和葉內(nèi)之間的真菌群落α多樣性均差異顯著,植物隔室主要影響了陸均松和青梅的葉際真菌群落α多樣性。同時葉片pH值、降水量、溫度對青梅和陸均松葉際真菌α多樣性具有重要的調(diào)節(jié)作用。相比于植物隔室,植物宿主間的變化對陸均松和青梅葉際真菌群落組成影響更大。陸均松和青梅葉表真菌群落上的差異主要受葉片的全氮、全磷、Mg含量和降水量的影響,而葉片的全氮、全磷、Mg含量是葉內(nèi)真菌群落差異主要的原因。
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[本文編校:吳 毅]