引 言
青藏高原极端环境具有高海拔、强辐射、气候变化敏感等特征,其独特的地理条件孕育了丰富的生物多样性。近年来多项研究显示,高原地区植物内生真菌和根际土壤真菌的组成表现出较高的相似性,而且植物根际土壤真菌的多样性和丰富度常高于植物组织内生真菌
[1-3]。盐生植物是能够正常在高盐环境中生长、生活的特殊植物,当前对盐生植物内生真菌和根际土壤真菌的研究较少,已有的研究表明不同盐生植物内生真菌的多样性和群落组成存在差异且大部分根际土壤真菌的丰富度高于非根际土壤
[4-6]。高原盐生植物需要适应高原和盐生两种特殊环境,其对植物及植物微生物组都具有重要的影响。研究发现,高寒盐生环境会影响微生物群落和网络复杂性
[7,8],对青海湖畔不同盐生植物叶绿体淀粉粒、茶卡盐湖植物根际微生物的研究也表明,高寒盐生环境在植物结构组成和根际微生物组功能方面具有关键影响
[9,10]。鉴于高寒盐生环境对微生物会产生复杂影响,本研究对高原盐生环境中植物内生真菌及根际土壤真菌多样性特征进行分析,以期为今后进一步研究高原环境下盐生植物微生物群落奠定基础。
冰川棘豆(
Oxytropis glacialis)是一种多年生草本植物,隶属于豆科(Leguminosae)棘豆属(
Oxytropis),生长于海拔4 500~5 400 m的山坡草地、砾石山坡、河滩砾石地和砂质地。冰川棘豆是青藏高原的特有种,广泛分布于西藏阿里、那曲等地,因其含有苦马豆素(一种有毒的生物碱),动物食用后会导致中毒甚至死亡,故冰川棘豆又被称为“疯草”
[11,12]。研究表明,疯草的内生真菌是其毒性的根本来源,而该真菌代谢产生的苦马豆素又是天然的抗癌抗肿瘤药物,应用前景广阔
[13],因此对冰川棘豆内生真菌的研究对抗肿瘤药物开发及促进畜牧业的发展具有重要意义。当前对冰川棘豆的研究多集中于其毒理作用和生物碱分离方面,对内生真菌及根际土壤真菌的研究较少。
为了更好地利用冰川棘豆内生真菌资源,本研究以生长在扎布耶盐湖的冰川棘豆为研究对象,通过高通量测序技术对其茎、叶内生真菌、根际土壤和大田土壤真菌的多样性及群落组成进行研究,分析了其影响因素,以加深对高寒盐漠植物真菌多样性的认知,为疯草植物内生真菌种属检测方面提供参考。
1 材料与方法
1.1 研究区概况
扎布耶盐湖位于西藏自治区日喀则市仲巴县隆格尔区仁多乡境内,地处青藏高原腹地西部、冈底斯山脉北侧,地理坐标为E 83°57′
84°15′、N 31°27′
31°34′,湖面海拔约为4 421 m,总占地面积243 km
2左右
[14]。扎布耶盐湖属于高原亚寒带气候区,具有海拔高、昼夜温差大、高盐、强辐射等特点
[15]。
1.2 样品采集
本研究于2018年8月对扎布耶盐湖高寒盐漠生境生长旺盛期的冰川棘豆组织样品、根际土壤以及根系10 cm以外的大田土壤进行采样,设置3个采样区,各采样区间距在100 m以上,各采集3株冰川棘豆的茎(Stem endosphere,SF)、叶(Leaf endosphere,LF)、根际土壤(Rhizosphere soil,RF)样品及大田土壤(Bulk soil,Bulk)样品,将样品放入-20℃车载冰箱(美固Mobicool,CF-50)带回实验室做后续处理。
1.3 土壤理化性质测定
用电位计法测定样品pH值,其中水土比为1∶1;用烘干-称重法测定土壤含水量(Soil Water Content, SWC);用便携型土壤成分测定仪(北京优普通用,UPA-B506)测定有机物(Organic Compound,OC)、速效钾(Available K,AK)、速效磷(Available P,AP)、铵态氮(Ammonium Nitrogen,NH
4+-N),其中用重铬酸钾法测定有机物;用乙酸铵提取-原子吸收分光光度法测定速效钾;用碳酸氢钠提取-钼锑抗分光光度法测定速效磷;用纳氏试剂比色法测定铵态氮
[16]。土壤理化性质信息见
表1。
1.4 微生物DNA提取和PCR扩增测序
提取冰川棘豆内生真菌、根际土壤真菌及大田土壤真菌总DNA,以ITS1F(5'-CTTGGTCATTTAGAGGAAGTAA-3')和ITS2R(5'-GCTGCGTTCTTCATCGATGC-3')为引物对真菌ITS可变区进行特异性扩增
[17]。使用20 µL反应体系进行扩增:10×Buffer 2 µL,2 µL 2.5 mmol/L dNTPs,正、反向引物(5 µmol/L)各0.8 µL,0.2 µL5 U/µL rTaq Polymerase,0.2 µL BSA,10 ng模板,加ddH
2O补足至20 μL。PCR反应条件:95°C 3 min、95°C 30 s、55°C 30 s、72°C 45 s,第一轮扩增进行27个循环,72°C 10 min,10°C保温;将第一次PCR反应的纯化PCR产物作为第二次扩增的模板,保持扩增条件不变进行第二轮扩增,共13次循环,72°C 10 min,10°C保温。在超微量分光光度计上检测PCR产物纯度和浓度,用2%的琼脂糖凝胶电泳检测DNA完整性,基于Illumina MiSeq进行测序,测序工作由上海美吉生物医药科技有限公司完成。测序数据上传至国家微生物科学数据中心(National Microbiology Data Center, NMDC),编号为:NMDC10019820。
1.5 数据分析
对测序后得到的双端序列进行拼接、指控后获得优化序列,通过Uparse(version 7.0.1090
http://drive5.com/uparse/)软件基于97%相似度水平对OTU进行生物信息统计分析,利用Anosim相似性和Adonis置换多因素方差分析对3组样本进行分析,确定分组的可行性和可信度,之后基于最小样本序列数进行抽平。基于mothur(version v.1.30.2
https://mothur.org/wiki/calculators/)对OTU水平各样本Alpha多样性(Sobs、Ace、Shannon、Simpson指数)进行分析,确定样本的丰富度和多样性。利用R(version 3.3.1)在门和属水平分析了冰川棘豆内生和根际土壤真菌群落组成并通过柱形图表示,在属水平进行Venn图分析确定4组样本的共有菌群,使用非参检验方法进行多物种组间差异检验。通过Networkx(version1.11)构建Network共线性网络,分析了4组样本真菌群落间的相关性。通过R语言中vegan包(vsesion2.4.3)进行CCA典型分析,探究土壤理化因子与冰川棘豆内生和根际土壤真菌群落的关系。利用MEG11对检测到的OTU与已知的产苦马豆素内生菌的基因序列(NCBI)进行对比,并根据最大似然法构建系统发育树,筛选潜在的产苦马豆素真菌。最后利用Adobe Illustrator 2024软件对图片进行了组合处理。
2 结果分析
2.1 冰川棘豆内生真菌和根际土壤真菌Alpha多样性分析
对采集于高寒盐漠地区的12个样本进行测序共得到641 110条有效序列。抽平后共得到389 844条优化序列,平均每个样本得到324 87条序列。于97%相似度分类水平,注释得到476个OTUs,统计共得到9门28纲56目129科206属281种。
图1显示,冰川棘豆茎、叶内生真菌、根际土壤真菌和大田土壤真菌Alpha多样性稀释曲线先上升后趋于平缓,说明本研究测序数据可靠合理。
Sobs、Ace、Simpson及Shannon指数均在SF最高、LF最低,其中Shannon指数在各组之间存在显著差异,Sobs、Ace和Simpson指数在SF、RF与LF的Alpha多样性指数之间都存在显著差异(
P0.05),这表明茎内生真菌的物种总数和多样性更高,并且叶内生真菌和茎内生真菌、根际土壤真菌的群落多样性存在明显差异。除此之外,Bulk与LF的Sobs指数、Simpson指数之间存在显著差异(
P0.05),Bulk与SF的Shannon多样性指数之间存在显著差异(
P0.05)(
图1),但大田土壤、茎与根际土壤真菌Ace、Sobs和Simpson指数之间没有显著差异。
2.2 冰川棘豆内生和根际土壤真菌群落组成分析
2.2.1 门和属水平的冰川棘豆内生和根际土壤真菌群落组成
分类学分析结果显示,除少数未确定类群外,冰川棘豆内生真菌和根际土壤真菌共包括8个门类(
图2A),其中子囊菌门(Ascomycota)和担子菌门(Basidiomycota)为优势菌门,子囊菌门在Bulk、RF、SF和LF中占比均在90%以上,其中在LF中占比高达98.71%。所有样本注释共得到206个属(
图2B),其中共有属数量仅为15个,Bulk样本鉴定到的菌属最多有127个,LF样本鉴定到的菌属最少只有34个,Bulk样本鉴定到的特有属高达67个,RF样本鉴定到的特有属有16个,SF样本鉴定到的特有属有30个,LF样本鉴定到的特有属只有3个(
图2C)。除去未确定的类群外,Bulk中枝顶孢属(
Acremonium)相对丰度最高,占比为29.00%,其次是毕赤酵母属(
Pichia),占比为18.97%,两个菌属的相对丰度之和占总相对丰度的47.97%;在RF中赤霉菌属(
Gibberella)相对丰度最高,占比为22.90%,其次是枝顶孢属(
Acremonium),占比为7.85%;在SF中以柄孢壳菌属(
Podospora)相对丰度最高,占比为17.98%,其次是枝顶孢属(
Acremonium)占比为12.24%。在LF中链格孢属(
Alternaria)相对丰度最高,占比高达64.82%,其次是白粉菌属(
Erysiphe),占比为17.74%。因此,枝顶孢属在茎内生真菌和根际土壤真菌、大田土壤真菌中相对丰度都较高。
在属水平上对4组样本进行多物种组间差异检验分析结果表明(
图2D),链格孢属(
Alternaria)、f_Pleosporaceae、赤霉属(
Gibberella)、柄孢壳属(
Podospora)、亚隔孢壳属(
Didymella)、翅孢壳霉属(
Emericellopsis)、毛壳属(
Chaetomium)、轮枝孢属(
Verticillium)、碘光盘菌属(
Iodophanus)、
Naganishia、隔指孢属(
Dactylella)、光黑壳属(
Preussia)、异茎点霉属(
Paraphoma)和
Phlyctochytrium在4组样本中存在显著差异(
P<0.05)。
2.2.2 基于属水平共线性网络分析
共线性网络分析显示(
图3),样本与物种有效节点有688个(Degree)。其中,Bulk、LF、RF和SF样本分别有126、32、86和100个节点,在两个样本以上共线的属有10个,分别是柄孢壳属(
Podospora)、
Sordariomycetes、赤霉属(
Gibberella)、毛壳菌属(
Chaetomium)、
Naganishia、
Pleosporaceae、
Sarocladium、小双腔菌属(
Didymella)、枝顶孢属(
Acremonium)及未分类的真菌属。
2.2.3 土壤理化因子对冰川棘豆内生真菌和根际土壤真菌群落的影响
通过VIF方差膨胀因子分析发现(
表2),pH值和SWC(含水量)2个土壤理化因子与冰川棘豆内生真菌和根际土壤真菌群落显著相关(VIF=1),能够最大程度体现对冰川棘豆内生和根际土壤真菌群落的影响。CCA分析(
图4)结果表明,第一排序轴(CCA1)解释度为9.87%,与pH值的相关系数为0.5995、与SWC的相关系数为-0.9352;第二排序轴解释度为4.69%,与pH值的相关系数为-0.8004、与SWC的相关系数为-0.3541,其中SWC对LF影响最大,pH值对RF影响最大。表明冰川棘豆内生真菌、根际土壤真菌和大田土壤真菌群落主要受到含水量和pH值的影响。
2.2.4 LEfSe多级物种分析
LEfSe多级物种层级分析结果显示(
图5),在属水平,
Paraphoma(LDA=4.11)、
Preussia(LDA=4.14)、
Didymella(LDA=4.55)、
Naganishia(LDA=4.02)和
Cystobasidium(LDA=4.30)在SF中显著富集;
Alternaria(LDA=5.52)在LF中显著富集;
Gibberella(LDA=5.07)和
Pseudogymnoascus(LDA=4.20)在RF中显著富集;
Aspergillus(LDA=3.92)在Bulk中显著富集。
2.2.5 产苦马豆素真菌筛选
将分析鉴定到的OTU188、OTU295、OTU324、OTU335、OTU265及OTU308与已知的产苦马豆素真菌菌种的ITS序列共同构建系统发育进化树(
图6)。结果显示,OTU188与
Undifilum oxytropis O1B9(Genbank登录号FJ357320)、
Embellisia sp. FEL2(Genbank登录号EU604065)、
Embellisia sp. FEL1a(Genbank登录号EU604062)等聚集,自展值为91。OTU295、OTU324、OTU335、OTU265与
Alternaria gansuence(Genbank登录号MF398826)的自展值为96。然而OTU308与
Alternaria gansuence自展值为100,两者归属于同一物种。因此,冰川棘豆茎、叶内生真菌和根际土壤真菌中含有多个潜在的
Alternaria属。
3 讨 论
3.1 冰川棘豆内生真菌和根际土壤真菌群落多样性指数分析
植物内生真菌是一定阶段或全部阶段生活于健康植物组织和器官内部的微生物种群,据估计,植物内生真菌至少有100万种,而仅从少数已知物种中发现了大量的新结构活性物质
[18,19]。青藏高原高寒生态系统中植物茎、叶内生真菌与根际土壤真菌群落结构组成具有明显的独特性,同一区域植株的不同组织内生真菌以及根际土壤真菌多样性也具有一定的差异
[20,21]。本研究中冰川棘豆茎内生真菌的多样性Shannon指数:茎>根际土壤>大田土壤>叶,且在各组之间存在显著差异。这与Wang等
[22]对盐生环境苦豆子(
Sophora alopecuroides)研究中茎内生真菌Shannon指数最高相似,但与强晓晶等
[23]对非盐生环境紫花苜蓿研究中根际土壤真菌Shannon指数显著高于植株各组织的结果存在差异,这表明盐生环境对植物内生和根际土壤真菌多样性具有重要影响。相比于根际土壤真菌,叶内生真菌可利用营养成分少导致其更容易受到外界环境的影响,多样性会降低,这也是本研究中叶内生真菌多样性最低的主要原因
[24]。本研究中根际土壤真菌群落多样性和丰富度低于茎,这与扎布耶盐湖高盐度和高pH值浓度关系密切,盐胁迫和高pH值会抑制了土壤真菌多样性,而茎内生真菌受到的影响相对较小
[25]。
3.2 冰川棘豆内生真菌及根际土壤真菌群落组成分析
盐度是影响土壤微生物的显著影响条件,会通过改变渗透压和离子效应改变土壤微生物的群落组成,盐生植物会遭受比较多的非生物胁迫作用,Yang等
[26]研究发现盐度是土壤真菌群落形成的主要因素,因此盐生植物通过招募真菌可以适应盐胁迫。在本研究中所有样品OTU被注释后隶属于9门206属,其中在门水平层次物种组成相似度较高,随着分类级别的提高,物种相似度降低,而且属水平丰度有所变化,但除LF样本外,其余3个样本均表现出较大的相似性。和其他豆科植物的研究结果一致,子囊菌门(90.88%
98.71%)在不同组织中都占据优势地位
[27,28]。在属水平上,高寒盐漠中的冰川棘豆叶内生真菌与茎内生真菌、根际土壤真菌以及大田土壤真菌差异较大,形成这种特征的原因可能是由于植物组织位置和功能的不同而引起的
[29]。其中枝顶孢属在茎、根际土壤和大田土壤中均占主要地位,枝顶孢属在植物中分布广泛,其所含的多种化合物具有抑菌活性,对盐胁迫等环境具有较高抗性
[30]。茎、根际土壤和大田土壤的优势菌属分别还包括柄孢壳属、赤霉属和毕赤酵母属,叶内生真菌优势菌属为链格孢属,这也是冰川棘豆中产苦马豆素的核心菌属之一,该菌属在根际土壤中也有少量分布,这与相关的研究结果一致
[12]。不同菌群发挥不同的作用,四组样本中发挥显著作用的菌群存在差异,它们在冰川棘豆适应盐生环境中可能发挥重要作用。
真菌内生菌已被证明可以在极端环境中帮助植物建立特殊耐受性去应对环境压力,盐度也是帮助植物内生菌群落建立的重要因素
[31]。本研究中发现少量嗜盐真菌的存在,包括研究真菌嗜盐机制的良好材料的
Aspergillus amstelodami和主要侵染菊科和蔷薇科植物的致病菌的
Paraphoma chrysanthemicola,但它们在冰川棘豆适应扎布耶盐湖环境中发挥的作用还未可知
[32]。除此之外,其他真菌是否帮助冰川棘豆适应盐生环境也未得到证实,因此后续还需扩大样本数量,进一步研究内生和根际土壤真菌对植物适应盐生环境的贡献情况。
苦马豆素是天然的抗癌抗肿瘤药物,产苦马豆素的内生真菌种属划分已经过多次更改,目前还是被划分到链格孢属中
[13]。先前的研究表明有链格孢属内生真菌的小花棘豆植株中含有苦马豆素,没有该内生真菌的植株不含苦马豆素
[33]。本研究发现扎布耶盐湖采集到的冰川棘豆内生和根际土壤真菌中叶中含大量链格孢属,并且注释到的OTU188、OTU295、OTU324、OTU335、OTU265和OTU308也都是潜在的链格孢属,这说明高寒盐漠环境中采集到的3株冰川棘豆植株中含有苦马豆素,且含有多种产苦马豆素真菌。
3.3 土壤理化因子对冰川棘豆内生和根际真菌群落多样性的影响分析
土壤pH值、有机质、速效磷、速效钾等土壤理化性质属于土壤微生态环境的基本组成成分,对植物内生和根际土壤真菌多样性和群落组成会产生重要影响
[34]。本研究中冰川棘豆内生和根际真菌群落组成主要受pH和含水量两个土壤理化因子的影响,这与先前的研究是一致的
[12]。其中pH值对根际土壤真菌的影响较其他组织更为明显,含水量对叶内生真菌影响更明显。先前的研究表明pH值是影响植物内生和根际土壤真菌多样性和群落的主要因子,但对各组织真菌的影响大小没有进行深入研究
[34,35]。土壤理化因子对土壤真菌群落结构有显著影响,而土壤中的真菌是植物内生真菌的主要来源,因此根际土壤会受到植株和土壤的共同影响,更容易受到pH值的直接影响
[3]。研究发现土壤含水量可能是手参根际土壤真菌群落组成的关键因子,但尚未对手参内生组织真菌进行研究
[36]。因此推测叶是进行蒸腾作用和光合作用的主要场所,内生真菌可以提高植物的光合特性指标,而含水量对植物的光合作用有直接的影响,导致叶更容易受到含水量的影响。先前研究表明海拔、土壤养分含量均会影响黄花棘豆内生真菌多样性,其对不同真菌类群产生不同的影响
[37]。本研究中其他土壤理化指标对冰川棘豆真菌群落结构的影响并不显著,目前尚未深入探讨这些指标对真菌群落中不同类群的具体影响。为了更全面地理解这些因素的作用,未来的研究需要进一步探索和分析。
4 结 论
扎布耶盐湖冰川棘豆植物茎内生真菌多样性(Shannon指数和Sobs指数)最高、叶最低。内生真菌和根际土壤真菌群落组成存在差异,茎内生优势属为柄孢壳菌属,叶内生优势属为链格孢属,根际土壤优势属为赤霉菌属,大田土壤优势属为枝顶孢属。高寒盐生环境下冰川棘豆内生真菌和根际土壤真菌群落组成主要受pH值和含水量的影响。本研究揭示了高原盐生环境下冰川棘豆内生和根际土壤真菌的多样性和群落组成特征,为研究盐生植物内生菌群落构建提供了理论依据。当前本研究缺乏内生菌功能机制的研究,尚无法确定各菌群在冰川棘豆适应盐生环境时发挥的具体作用,后续应关注特定菌群的研究。
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