大型真菌和林木根系形成一種互惠共生體-外生菌根，相應的真菌被稱為外生菌根真菌（Ectomycorrhizal fungi, EMF），其中許多類群為名貴的野生食用菌，比如松茸、松露（塊菌）、干巴菌等，EMF在森林群落結構和生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定中發(fā)揮著重要的作用。EMF在生長發(fā)育過程中需要與宿主和其它微生物相互作用，組成外生菌根—植物—微生物密切關聯(lián)的“共生體系”，是影響EMF生長發(fā)育和產量品質的關鍵所在。為此，中國科學院昆明植物所研究人員選擇名貴EMF（松茸、干巴菌、塊菌）及其典型生境作為研究對象，對EMF組織及周圍土壤環(huán)境中微生物組開展了系列研究：
通過對松茸不同結構（圖1）內生細菌的研究發(fā)現(xiàn)，松茸結構中共存的細菌有200多種，而在各結構中潛藏的特有細菌多達400多種，其中微球菌、芽孢桿菌、柄桿菌和鞘氨醇單胞菌是最重要的類群。非參數多元方差分析表明，松茸子實體不同部位的細菌和真菌群落結構上均存在顯著差異。氨基酸、碳水化合物和核苷酸的代謝以及次生代謝產物的合成高度富集在松茸的外層，而在松茸內部，維生素、脂類和能量代謝顯著提高（圖1），這與松茸子實體生長發(fā)育、揮發(fā)性物質合成等密切相關。
圖1.松茸子實體（蓋表皮、柄表皮、菌蓋組織、菌柄組織、菌褶）微生物群落的多樣性、結構及潛在代謝功能差異
為了進一步了解EMF子實體內實際參與碳、氮、磷、硫等元素循環(huán)的功能微生物差異，對干巴菌子實體不同結構微生物群落的功能基因多樣性進行了分析（圖1）。發(fā)現(xiàn)在干巴菌最外部的菌蓋皮層主要富集參與硫氧化和多聚磷酸鹽降解的255個功能基因，中部的子實層有524種功能基因參與碳還原和亞硫酸鹽還原，大量特有功能基因（1334）在子實體內部參與碳、氮固定過程（圖3）。這些結果揭示了微生物組和功能基因在干巴菌子實體不同結構的分布及其復雜性，也反應出EMF在整個森林生態(tài)系統(tǒng)中的存在并不孤立，而是從周圍土壤招募數千種細菌參與其子實體形成及內部元素循環(huán)。
圖2.干巴菌子實體內部組織、子實層、子實體上皮層微生物群落特定功能基因分析。A，共有和特有的功能基因數；B，顯著差異的功能基因類群；C，主要功能基因亞類群；D，子實體內部和子實層氮循環(huán)差異功能基因分析
為深入比較生境對地下EMF微生物組的影響，選取三種塊菌（Tuber pseudobrumale, Tp; T. pseudohimalayense, Th; T. indicum,Ti）進行研究并發(fā)現(xiàn)：1）相同生境條件下，不同的塊菌（Th vs. Ti）對其子實體周圍的土壤養(yǎng)分和真菌群落具有顯著影響：相比Ti, Th土壤具有更高的養(yǎng)分含量（總碳、總氮），Th子實體和其生境土壤中的真菌多樣性和豐富度均顯著高于Ti；2）自然條件下，同一個種（Tp）來自不同產地，塊菌的形態(tài)和微生物群落也會產生明顯變化，包括子實體宏觀（表皮紋飾、顏色和厚度）、表皮和內部微生物多樣性（圖3）、優(yōu)勢菌群的相對豐度和群落結構；3）人工培育（栽培）條件下，同一個種（Ti）與不同的植物（云南松、華山松、錐連櫟）共生后，塊菌微生物組并未發(fā)生明顯變化，其多樣性主要受塊菌及周圍生態(tài)位變化的影響：從土壤到塊菌子實體，細菌和真菌多樣性均顯著降低（圖4），最終定殖在子實體內的微生物為特定的有益類群（如α變形菌綱的固碳、固氮菌）。
圖3. 不同產區(qū)T. pseudobrumale 的形態(tài)（子囊果外皮層、產孢組織）及內生細菌群落組成變化
圖4. 印度塊菌生境微生物多樣性及在不同生態(tài)位的變化（生境土壤、子囊果附著土壤、子囊果外皮層、產孢組織）
以上研究結果揭示了生境對EMF形態(tài)和共生微生物的影響，而這些微生物密切參與子實體的養(yǎng)分循環(huán)，是影響其生長發(fā)育、形態(tài)和產量品質的重要生物因素。后續(xù)研究將對不同生境EMF組織及周圍土壤微生物組的共有和促生類群進行分析和培養(yǎng)，為MHB（Mycorrhiza Helper Bacteria）、MHF（Mycorrhiza Helper Fungi）篩選、根際微生物組合成和人工培育（栽培）等研究奠定基礎。
研究成果分別發(fā)表在Journal of Fungi、mSphere、Frontiers in Microbiology和Mycological Progress等期刊。研究所副研究員劉棟為第一作者，于富強正高級工程師為通訊作者。研究得到國家重大研發(fā)計劃項目（2017YFC0505206）、中科院科技扶貧（KFJ-FP-201905）與西部之光項目（Y923217）和科技入滇項目（202003AD150005）等項目的資助。
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