TITLE:Root-associated fungal community reflects host spatial co-occurrence patterns in a subtropical forest
译名：根相关真菌群落反映了亚热带森林中宿主的空间共生模式
期刊：ISME Communications
发表日期：2021/11/06
下载链接：https://doi.org/10.1038/s43705-021-00072-6
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1 研究介绍
植物根部含有多种真菌并与之相互作用。通过改变这些地下真菌群落，焦点植物可以影响周围个体的表现和共存的结果。但这些根相关真菌群落本身在宿主植物空间共生中的作用在很大程度上是未知的。然而，尽管不同的真菌物种与自然界中的大多数植物物种相关并共同进化，并且是宿主特异性的，但相对较少关注根相关真菌群落本身在宿主植物空间共存中的作用。
我们主要是探讨在物种丰富的森林生态系统中，根系真菌关联的分化是否可以作为植物间空间共现模式的寄主依赖代理。我们调查了整个50公顷森林地块中 501 个根尖样本和 1708 个大块土壤样本中的真菌群落以及相关环境特性。最后，我们将根相关真菌群落的分化与观察到的植物共现模式联系起来，并使用随机森林模型测试了有效性。这项研究加深了我们对根相关真菌在亚热带森林植物共生中的重要性的理解。
2 材料与方法
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1）采样：
①中国广东省的黑石顶自然保护区（东经 111°53'，北纬 23°27'）的 50 公顷典型亚热带森林地块中采集土壤和根尖样本
②从上一研究中（Chen Y, Jia P, Cadotte MW, Wang P, Liu X, Qi Y, et al. Rare and phylogenetically distinct plant species exhibit less diverse root-associated pathogen communities. J Ecol. 2019;107:1226–37.）保留了39个植物物种（总共 501 个个体），根据植物的相对丰度将植物物种分为三组：≥1%（H）、0.1-1%（M）和≤0.1%（L）；根据 DBH 将植物个体分为三个大小等级，以代表不同的植物发育阶段：树苗≤5 厘米，幼苗 5-10 厘米，成虫≥10 厘米
③通过使用背景大块土壤样本（表S5）测量环境特性。
2）测序：
真菌特异性引物：ITS1_ ITS4R、ITS3_ITS4
3）分析：
①区级宿主特异性通过 PERMANOVA 检验（Adonis函数，Bray-Curtis 距离与排列 = 999，R 中的“vegan”包）基于每对不同截断值的整体 OTU 或核心 OTU 的相对丰度植物品种。
②基于选定的根尖样本进行了 Mantel 检验（Pearson 相关性与 999 次排列）揭示根相关真菌群落与背景土壤环境特性和真菌群落之间的关系。
③使用“randomForest”包（randomForest函数，用 1000 棵树训练）使用观察数据集和打乱数据集执行随机森林建模。
④根据相关的验证数据集计算接收者操作特征（ROC）曲线，并使用“ROCR”包（预测和性能）计算ROC曲线下面积（AUC））。
⑤通过 Wilcoxon 检验比较使用观察数据和打乱数据的模型之间的性能差异，并通过错误发现率（Benjamini 算法）调整显着性（P值）。
⑥使用“agricolae”包（aov和HSD.test函数）进行具有事后TukeyHSD测试的单向 ANOVA（方差分析）比较不同预测变量的AUC值的分布。
⑦通过搜索真菌数据库程序 FUNGuild 来确定核心OTU的推定功能。
⑧通过Wilcoxon检验(wilcox_effsize包中的wilcox_test和wilcox_effsize功能)比较不同发育阶段聚集和分离植物对的真菌功能群落的修饰RAs来探索功能分化。
3 结果
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图 1：本研究中39种植物的根相关真菌的分子系统发育和群落组成。
a使用从GenBank 获得的四个基因（即rbcL、matK、ITS1和5.8S）的序列为选定的39 个植物物种构建的最大似然系统发育树。b与每种植物物种相关的不同根真菌目的平均相对丰度百分比。最主要的真菌目隶属于Helotiales (30.7%), Agaricales (9.5%), Leotiomycetes incertae sedis (8.1%), Chaetosphaeriales (7.4%), Chaetothyriales (4.5%), Trechisporales (4.2%), Tremellales (2.8%))、Russulales (2.6%)、Hypocreales (1.9%)、Xylariales (1.6%) 和 Eurotiales (1.3%) 共同占总测序读数的约75%。
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图 2：根相关真菌群落的宿主特异性。
基于整体或核心 OTU 的相对丰度，应用PERMANOVA 检验检查每对不同植物物种之间根相关真菌群落的差异（以0.5和0.9 的截断值为例）。a对于每个目标植物物种（SP，n = 39），分别与所有其他38个植物物种进行比较。不同类别显示具有显着性（P < 0.05) 差异。当给定植物物种的真菌群落特征与所有其他38 种（即100%）比较植物物种显着不同时，它被定义为宿主特异性。同时，当它与至少35 个（即> 90%）比较植物物种显着不同时，它被定义为宿主依赖性。b使用相同的定义标准对不同生命阶段的每种植物物种进行宿主特异性测试（SP.AGE，n = 97）。c验证根相关真菌群落的宿主特异性（SP，n = 39) 是根据地块中背景土壤的真菌群落(SOIL) 和环境特性(ENV) 进行的。
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图 3：使用植物特征的不同相异性对空间共现模式的预测性能.
随机森林建模分别基于不同的预测变量进行，包括整体真菌 OTU 的相对丰度(RA)、系统发育(PL)、功能性状(FT)、丰富度(RICH) 和群落组成(COMM) 的差异，以及在0.5 和0.9 的截止值下，共享（或独特）核心根相关真菌OTU 的修改相对丰度（MRA）谱。通过Wilcoxon 检验比较了使用观察数据和混洗数据的模型之间的性能差异。进行了具有事后Tukey HSD 检验的单向方差分析，以比较不同预测变量的AUC值的分布。具有相同字母的不同预测变量的预测性能在alpha 值为0.05 时没有显着差异。
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图 4：不同发育阶段空间聚集和分离的植物对之间的功能差异。
a 在不同发育阶段的聚集和分离植物对之间具有显着差异(* P < 0.05)的功能行会。b 在不同发育阶段的聚合和分离植物对之间具有显着差异（* P < 0.05）的功能行会的修正相对丰度（％，平均值±se）和效应大小（r）。Wilcoxon 测试是基于三个假定的功能公会（包括“植物病原体”、“外生菌根 (EcM) 真菌”和“腐生菌”）的修正相对丰度(%) 进行的。这些假定的真菌行会的修改相对丰度被计算为可以分配给它们的共享（或唯一）核心OTU 的相对丰度之和。在FUNGuild 中具有多个功能分配的核心OTU 被排除在分析之外。
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图 5：说明根相关真菌的潜在负面和正面影响如何反映田间寄主植物共现模式的概念图。
根相关真菌的影响可能会导致植物在不同发育阶段（a、c）之间的不同相互作用，从而导致观察到的不同共现模式（b、d、e））。在该图中，与根相关的真菌群落的概况由植物区分，它们的相似程度由颜色区分；因为深绿色和浅绿色植物具有更多相似的真菌种类，而橙色植物则受到更多独特真菌的感染。此外，真菌种类的影响强度由箭头的粗细表示，红色和蓝色箭头分别表示负面和正面影响。植物的大小代表了它们不同的发育阶段。
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