异养与自养植物花柱微生物组的多样性与功能特征：分枝列当与其寄主烟草的对比研究

《Scientific Reports》：Diversity and functional traits of the flower stigma microbiome in heterotrophic and autotrophic plants: Phelipanche ramosa vs. its host Nicotiana tabacum

　　本研究针对重要寄生杂草分枝列当（Phelipanche ramosa）与其寄主烟草（Nicotiana tabacum）花柱微生物组认知空白的问题，开展了首次基于NGS技术的对比研究。结果表明，寄生植物花柱具有独特的细菌（如Pantoea、Pseudomonas）和真菌（如Chalastospora、Bensingtonia）群落结构，并显示出与异养生活方式相关的降解、致病等功能特征，而寄主花柱微生物组则表现出更丰富的营养循环功能。该研究为理解寄生植物-寄主相互作用及开发新型生物防治策略提供了重要见解。

　　

在农业生产中，寄生植物如分枝列当（Phelipanche ramosa）对经济作物构成严重威胁，尤其偏爱寄生番茄和烟草等茄科植物。这种全寄生植物已完全丧失光合作用能力，依靠特化的吸器从寄主植物体内掠夺水分和养分，可导致作物减产20%至80%，甚至绝收。尽管其农业危害已被充分认识，但关于寄生植物与其寄主之间的微生物相互作用，特别是繁殖器官中的微生物群落，仍知之甚少。花柱作为花朵接受花粉的关键部位，其表面富含酶、糖、氨基酸等营养物质，形成了一个独特的微环境，既是微生物的栖息地，也可能影响植物的繁殖成功和健康。理解寄生植物与自养寄主花柱微生物组的差异，对于揭示寄生生活方式如何塑造相关微生物群落，以及这些微生物如何影响寄生关系至关重要。

为填补这一知识空白，由Karolina Wisniewska、Sebastian Wojciech Przemieniecki、Krzysztof Krawczyk和Renata Piwowarczyk组成的研究团队，在《Scientific Reports》上发表了他们的最新研究成果。他们首次利用下一代测序（NGS）技术，系统地比较了寄生植物分枝列当与其寄主烟草（Nicotiana tabacum）成熟花柱的细菌和真菌微生物组的组成、多样性和潜在功能。这项研究旨在回答一个核心科学问题：全寄生植物的花柱微生物组与其自养寄主有何不同，以及哪些功能特征区分了这些群落？

研究人员在波兰Brzeziny地区同步采集了同期开花的分枝列当和烟草的成熟花柱样本。关键技术方法包括：从花柱组织（每样本约1克，含350个P. ramosa花柱或200个N. tabacum花柱）中提取基因组DNA，针对细菌16S rRNA基因的V3-V4区域和真菌ITS（Internal Transcribed Spacer）区域进行PCR扩增，利用Illumina MiSeq平台进行高通量测序。随后，使用QIIME 2等生物信息学工具对测序数据进行处理，包括操作分类单元（OTU）聚类、多样性指数（如Shannon H‘、Simpson λ、Pielou J’）计算、主成分分析（PCA）以及基于Bray-Curtis距离的聚类分析。此外，研究还利用FAPROTAX和FungalTraits等数据库对微生物群落的潜在代谢功能进行了预测，并构建了微生物与功能性状的共现网络，以及采用偏最小二乘验证性因子分析（PLS-CFA）来探讨微生物组多样性、结构与功能性状之间的复杂关系。

3.1. 生态指数和微生物群落特征

研究表明，寄生植物和寄主花柱的细菌群落多样性指数（Simpson λ, Shannon H‘, Pielou J’）相似，无显著差异。然而，真菌群落的Shannon多样性指数在分枝列当花柱中（2.8）显著高于烟草花柱（2.0），表明寄生植物花柱的真菌多样性更丰富。聚类分析（AHC）显示，无论是细菌还是真菌，分枝列当和烟草的花柱样本各自聚为一类，表明寄主身份是塑造花柱微生物群落结构的主要因素。稀释曲线进一步证实，分枝列当花柱样本的微生物分类群丰富度高于烟草花柱。

3.2. 细菌组的结构

细菌群落结构分析揭示了显著差异。变形菌门（Proteobacteria）是两者花柱中最主要的细菌门，但在分枝列当花柱中占比更高（87.5% vs 69.6%）。分枝列当花柱的优势菌属为Pantoea（53.5%）和Pseudomonas（22.5%），并且拥有更多独特的细菌类群，如Paenibacillus、Micrococcaceae、Exiguobacterium和Actinomycetales。相比之下，烟草花柱则富含肠杆菌科（Enterobacteriaceae, 38.9%）和明串珠菌属（Leuconostoc, 29.6%），厚壁菌门（Firmicutes）的比例也远高于寄生植物（30.3% vs 7.1%）。功能预测分析显示，烟草花柱细菌群落与固氮、几丁质分解、硝酸盐/亚硝酸盐氨化以及CO₂固定等生态功能相关；而分枝列当花柱细菌则更倾向于与芳香化合物降解、纤维素分解、产铁载体、植物激素产生以及病原性（如植物病原体、人类病原体）相关的功能。

3.3. 真菌组的结构

真菌群落组成差异更为明显。子囊菌门（Ascomycota）在两者花柱中均占主导，但在烟草花柱中比例极高（87.2% vs 58.5%）。分枝列当花柱中担子菌门（Basidiomycota）的比例则显著高于烟草（38.2% vs 12.3%）。在属水平上，分枝列当花柱的特征真菌包括Chalastospora、黑粉菌科（Ustilaginaceae）和Bensingtonia（后者为分枝列当独有）。而念珠菌属（Candida）在烟草的一个样本中占绝对优势（68.6%），但在寄生植物花柱中完全未检测到。功能性状分析表明，分枝列当花柱真菌与菌寄生、花粉腐生、根内生（暗色有隔内生菌）、藻类寄生等功能密切相关；烟草花柱真菌则更多与凋落物腐生、花蜜/树液腐生、叶/果/种子相关以及酵母生活方式等相关。

网络分析与多变量统计

共现网络分析揭示了微生物（细菌和真菌）与其功能性状之间的复杂关系。网络形成了两个相对独立的模块，其中一个模块（左侧）主要关联烟草花柱的微生物和功能（如发酵、硝酸盐氨化），另一个模块（右侧）则更紧密地与分枝列当花柱的微生物及其功能（如植物激素、降解途径、病原性）相关联。PLS-CFA分析进一步证实，真菌多样性（Mycobiome Diversity）与真菌群落总体丰度（Mycobiome Presence）呈强正相关（R=0.981），而细菌优势类群的丰度（Bacteriobiome Abundance）与整体细菌多样性（Bacteriobiome Diversity）呈负相关（R=-0.947），强调了微生物多样性与其功能特征之间的动态关联。

本研究首次全面描绘了寄生植物分枝列当与其寄主烟草花柱微生物组的差异。研究结论指出，尽管寄生植物和寄主花柱的细菌群落多样性相似，但其结构和功能存在显著分化，反映了各自不同的营养策略（异养 vs 自养）。尤为重要的是，分枝列当花柱支持了更高多样性和独特功能的真菌群落。这些发现表明，寄生植物的花柱并非简单的微生物被动接收者，而是形成了一个与其独特生理生态相适应的、具有特定功能的微生物栖息地。

该研究的意义重大。它不仅深化了我们对植物繁殖器官微生物生态学的理解，特别是揭示了寄生生活方式对微生物组组装的影响，还为开发基于微生物的寄生杂草防治新策略提供了理论依据和潜在的微生物资源。例如，研究中鉴定出的某些具有降解或潜在拮抗活性的微生物，可能成为未来生物防治剂的候选者。此外，花柱与种子微生物组之间存在部分共享类群，提示了微生物可能通过繁殖过程垂直传播的途径，这为理解植物微生物组的世代间传递提供了新视角。总之，这项研究为探索寄生植物-寄主-微生物三者互作这一复杂生态系统打开了新的窗口，对农业可持续发展和植物微生物组研究领域具有重要的推动作用。