毛果杨（*Populus trichocarpa*）茎部Septoria茎溃疡病与真菌组（mycobiome）的相互作用

《mSystems》：The interaction between Septoria stem canker and the mycobiome of Populus trichocarpa stems

　　

Sphaerulina musiva（一种引起杨属（*Populus* spp.）树木叶斑病和溃疡病的真菌病原体）近期被引入太平洋西北地区，该地区面临商业化种植园和原生河岸生态系统受到威胁的状况。研究人员从一株感染S. musiva的毛果杨（*Populus trichocarpa*）人工林中采集了410株有症状和无症状树木的茎部维管组织。利用ITS（Internal Transcribed Spacer）扩增子测序技术对常住真菌内生菌（fungal endophytes）群落进行了表征。溃疡病表现和S. musiva的存在与多个多样性指标反映的真菌多样性降低相对应。有症状组织的真菌内生菌群落常由S. musiva主导，因此在组成上与无症状组织显著不同。来自健康茎和患病茎的无症状组织群落在组成或多样性上无显著差异，表明疾病相关的低多样性真菌组（mycobiome）状态局限于溃疡部位。S. musiva的相对丰度与茎部溃疡病呈正相关。S. musiva与关键的非致病性真菌内生菌呈负相关，而这些内生菌彼此之间呈强正相关。研究结果揭示了S. musiva利用易感毛果杨茎部维管微生境的能力，并在感染部位主导常住真菌群落的形成。
重要性：植物相关微生物群落既可以介导病原体感染，也会被病原体感染所改变。因此，理解复杂植物病理系统中疾病结果需要表征病原体-植物生物组（phytobiome）相互作用。表征这些相互作用的努力已取得微生态学见解，对草本植物叶部和根部相关病理系统中疾病管理具有应用意义。然而，硬木茎部维管组织中的病原体-植物生物组相互作用仍鲜有探索。研究结果阐明了在S. musiva疾病压力下毛果杨茎部真菌组的生态组织，加深了对Septoria茎溃疡病病理系统中微真菌群落动态的理解。此外，研究人员识别了可能不成比例地塑造毛果杨茎部真菌组结构和疾病动态的潜在相互作用的真菌类群。

论文解读文章

研究背景与问题：植物相关微生物群落（植物生物组，phytobiome）在植物病害过程中扮演双重角色：既可被病原体感染所改变，也能反过来调节疾病发展。目前，草本植物叶部和根部相关病理系统中病原体与微生物组的相互作用已有较多研究，但在硬木茎部维管组织中的此类动态仍知之甚少。毛果杨（*Populus trichocarpa*）作为具有全球分布、生态重要性和商业价值的硬木物种，其茎部维管组织独特的空间限制、生化与营养特征以及高度保护性，可能调节真菌定殖、生物量和生态功能。病原真菌Sphaerulina musiva（syn. Septoria musiva）引起易感杨属物种的Septoria叶斑病和茎溃疡病，该病原体于21世纪初被人为引入太平洋西北地区，严重威胁高度易感的毛果杨和杂交杨的种植林及天然林。尽管已有研究揭示了类似硬木病理系统中的微生物群动态，但S. musiva与杨树茎部真菌组（mycobiome）之间的相互作用机制仍不清楚。因此，本研究旨在探究Septoria茎溃疡病表达与毛果杨茎部真菌内生菌（fungal endophyte）群落多样性、组成及物种关联之间的关系，并评估这种关联是否在整个患病茎中系统性地存在，还是局限于感染部位。论文发表在《mSystems》。

主要技术方法：研究人员于2018年在美国俄勒冈州莫罗县Boardman的一个成熟人工林（common garden）中采集了510份木质组织样本（来自410株随机选取的有症状和无症状毛果杨）。样本包括健康组织、溃疡组织（取自坏死与健康组织交界处）以及溃疡下方约15厘米的非溃疡组织。每份样本约40毫克维管组织（含木质部、形成层和韧皮部）经冷冻干燥后提取DNA，利用ITS3_KYO1和ITS4引物靶向ITS2区域进行两轮PCR扩增，并结合植物特异性肽核酸（PNA）钳夹来抑制宿主DNA扩增。文库经Illumina MiSeq双端测序（300 bp）后，使用DADA2流程进行质量过滤、ASV（amplicon sequence variant）推断及分类分配（结合UNITE数据库并手动添加S. musiva ITS2序列）。去除污染物、非真菌类群及低读序样本后，保留306个真菌ASV和185个组织样本（103个健康、62个溃疡、20个非溃疡）。多样性分析采用稀有化（rarefaction）及多种指数，β多样性基于Aitchison距离，群落差异通过PERMANOVA和PERMDISP检验，并利用SparCC（稀疏相关算法）和点双列相关构建ASV-ASV及ASV-表型相关网络。

研究结果：

1. 真菌群落组成：共鉴定306个真菌ASV，其中子囊菌门（Ascomycota）占绝对优势（88.7%读序）。两个ASV被归为S. musiva，高丰度ASV占总读序的30.2%，并在溃疡组织中不成比例地占主导地位。常见共丰度类群包括Cladosporium herbarum和Aureobasidium pullulans。S. musiva的相对丰度显著预测溃疡表达（P < 0.001，二项回归）。

2. 疾病表达与真菌多样性的关系：与健康组织相比，溃疡组织的真菌群落多样性显著降低（所有多样性指数，P < 0.03），均匀度降低且单ASV优势度增加（P < 0.00001）。健康组织与非溃疡组织之间无显著差异（P > 0.2）。S. musiva的存在与多样性降低、均匀度下降和单ASV优势度增加相关（P < 0.002）。健康与溃疡组织群落组成显著不同（PERMANOVA，P < 0.001，R² = 0.060），且溃疡组织群落离散度更低（PERMDISP，P < 0.001）。非溃疡组织与健康组织间无显著差异。Jaccard相异性在所有疾病状态组间及组内均较高，且主要由物种周转（turnover）贡献，表明ASV存在-缺失变异普遍。

3. ASV-表型相关网络：高丰度S. musiva ASV的相对丰度与茎溃疡呈正相关（rpb = 0.511）。Aureobasidium pullulans和Cladosporium herbarum ASV与溃疡呈负相关（rpb = -0.356和-0.317）。S. musiva与Aureobasidium pullulans（rcc = -0.346）、Dothiora sp.（rcc = -0.341）和Filobasidium floriforme（rcc = -0.334）呈负相关。非S. musiva ASV之间全部为正相关，尤其Aureobasidium pullulans、Filobasidium floriforme、Dioszegia sp.、Buckleyzyma aurantiaca和Buckleyzyma sp.构成强相关簇（rcc范围：0.391–0.491）。

讨论与结论：研究结果明确了Septoria茎溃疡病表达与感染部位真菌内生菌多样性降低相关联，但并非在整个患病茎中系统性存在。S. musiva在溃疡组织中占主导地位，导致真菌多样性减少和组成差异。这种局部效应可能源于S. musiva对微生境的改造或直接化学拮抗，也可能反映感染前低多样性的真菌群落更易被S. musiva入侵。未观察到溃疡茎的无症状组织与完全健康茎的真菌组存在差异，表明系统性宿主介导的免疫反应并未显著改变远端组织的内生菌组成。此外，高丰度真菌内生菌之间呈正相关，而与S. musiva和溃疡表达呈负相关，暗示这些类群可能共同构成一个反复出现的关联组合，其中Aureobasidium pullulans和Dioszegia sp.可能作为关键互作因子。研究人员翻译的结论部分如下：随着植物生物组被公认为植物系统中动态且复杂的组成部分，理解其在疾病过程中的功能角色已成为重要研究目标。在本研究中，研究人员调查了在S. musiva疾病压力下模式硬木物种毛果杨鲜有研究的维管茎部真菌组。真菌内生菌多样性与Septoria溃疡表达之间的明确关联表明，S. musiva可能局部修饰维管茎部真菌组。这种模式也可能反映感染前真菌组组成与S. musiva感染成功之间的关系，可能受到宿主基因型或生物地理因素影响。未来研究需阐明这些过程如何单独或交互地影响Septoria茎溃疡病病理系统的疾病结局。研究人员还识别了与S. musiva及溃疡表达相关的真菌内生菌，提示它们在患病情境下的潜在生态重要性。后续操控实验可阐明这些关键真菌内生菌如何与S. musiva单独相互作用或共同调节维管茎部植物生物组的入侵抵抗性。研究结果加深了对毛果杨维管茎部真菌组及其在S. musiva疾病压力下生态组织的理解，为改进该及相关硬木茎部病理系统的综合疾病管理策略和预测性疾病模型提供信息。