人参属药用植物的微生物生态学研究

来源 :中国中医科学院 | 被引量 : 0次 | 上传用户:winter2009
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大量微生物定殖在植物相关生态位中,对植物的生长、健康和次生代谢具有重要影响。利用微生物资源提升药材产量和品质是促进人参属药用植物资源高质量和可持续发展的关键。对微生物资源利用的研究策略包括选育能够利用环境中有益微生物的人参属药用植物新品种,以及通过外源添加等方式操控微生物群落使其表现出对植物有益的功能。然而,微生物群落极端的多样性以及微生物群落内部和植物—微生物之间相互作用的复杂性阻碍了这些研究的进展。利用生态学理论与技术,全面系统地揭示人参属药用植物相关微生物群落的组织结构、构建机制以及与植物的相互作用和共进化模式将帮助我们破解这种复杂性,从而促进微生物资源在人参属药用植物资源产业中的应用。为捕获更多的微生物群落变异,并揭示更具普适性的规律,本研究在人参、西洋参和三七核心产区的不同种植园中对具有不同生长年限的植株(810株)和土壤进行了大规模采样,利用高通量测序技术对多区隔生态位中的真菌群落(土体土、根际土、根内生区、叶内生区和叶表,n=405)和土壤细菌群落(土体土和根际土,n=162)进行表征,使用HPLC对根和叶中的8种主要皂苷进行定量,并测定了 12种土壤理化性质。在此基础上,分别探索了多区隔真菌群落和土壤细菌群落的生态模式。本研究主要结果如下。(1)对真菌群落,区隔生态位是其结构的主要决定因素(置换多元方差分析,R2=0.33,P<0.001),但不同区隔、不同植物中的真菌群落仍具有种群动力学普遍性(相异性重叠曲线,P<0.05);中性模型表明,随机的中性过程在各区隔生态位中的真菌群落构建中都具有重要作用,但植物组织中的真菌群落构建更具确定性;在人参属和单个植物物种水平,中性模型期望将各区隔真菌群落划分为“选择”、“排斥”和“中性”子群落,代表与植物三种不同相互作用的结果;其中,根内生区和叶表中的人参属“排斥”真菌子群落与根和叶的皂苷多样性之间分别存在最强的联系(多元距离回归,P<0.001),随机森林分别获取了两个子群落中对皂苷多样性最重要的8个和12个真菌属;在植物物种水平上,代表不同互作模式的真菌子群落在植物间表现出显著的系统发育聚类(重抽样—置换多元方差分析,P<0.001);共发生网络表明,人参属药用植物组织内部的真菌组织结构更加稀疏但更模块化,且根和叶组织中的Keystone真菌类群丰度都与人参皂苷Rd含量强烈正相关(p>0.6,P<0.001),代表Keystone类群的真菌分离株具有在体外将人参皂苷Rb1转化为Rd的能力以及β-葡萄糖苷酶活性;(2)对土壤细菌群落,人参、西洋参和三七的根际效应具有一致性,表现为根际中具有显著更高的细菌生物多样性和更聚类的系统发育结构(整体水平P<0.001),且根际效应强度随植株生长年限增加而增强;三个物种的根际效应也具有特异性,表现为四倍体人参和西洋参的根际效应强度高于二倍体三七,且根际效应的解释因子在人参/西洋参和三七间不同;此外,三种植物根际富集的细菌类群表现出显著的系统发育聚类(系统发育抽样理论,z score=-11.33;重抽样—置换多元方差分析,P<0.001),富集分析鉴定了其中共富集的细菌目以及潜在的根际富集功能通路。总的来说,这些结果表明:(1)对人参属某一植物或某一区隔中真菌群落有效的管理策略可能叶对其他植物或区隔中的真菌群落有效;(2)中性过程对人参属药用植物相关真菌群落的构建至关重要,后续实验研究应纳入对随机性因素的考量,而组织内部的真菌群落则因强烈的宿主选择和生态位分异表现出比其他生态位更强的确定性(3)真菌群落中的潜在入侵者与植物的相互作用可能诱导了人参属药用植物之间皂苷多样性的产生,而根和叶内生区中的Keystone真菌类群则具有调控植物体内皂苷代谢过程的潜力,本研究所鉴定的这些关键类群可以作为研究人参属中与皂苷多样化和转化有关的分子调控机制的靶标;(4)人参属植物与真菌之间互作模式以及植物根际对细菌富集效应的进化保守性表明,与这些特征相关的植物遗传模块和植物对微生物的功能需求在人参、西洋参和三七中是保守的。本研究为人参属药用植物相关微生物群落的进一步实验研究及微生物资源在人参属栽培产业中的应用提供了重要的见解和基础。
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