DOI：10.1128/spectrum.00611-23

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https://journals.asm.org/doi/10.1128/spectrum.00611-23

第一/通訊作者：：孫翔（sunx@hbu.edu.cn）

主要單位：河北大學(xué)、以色列特拉維夫大學(xué)

近日，河北大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院賀學(xué)禮教授團(tuán)隊(duì)——逆境菌根生物學(xué)團(tuán)隊(duì)孫翔博士在國(guó)際著名微生物學(xué)期刊 Microbiology Spectrum 在線發(fā)表題為 “Distinct Features Based on Partitioning of the Endophytic Fungi of Cereals and Other Grasses”的研究成果。Microbiology Spectrum 由美國(guó)微生物學(xué)會(huì)（American Society of Microbiology）主辦，為中科院一區(qū)TOP期刊，最新影響因子9.04，是報(bào)道微生物學(xué)領(lǐng)域最新進(jìn)展的綜合性期刊。

核心微生物群系（core microbiome）是微生物群系研究中的一個(gè)重要概念，也是理解微生物群系的組成結(jié)構(gòu)和功能結(jié)構(gòu)的重要工具。其定義自提出以來(lái)變化較大，判斷一個(gè)群落成員是否屬于核心微生物群系的標(biāo)準(zhǔn)，在不同研究中也隨研究場(chǎng)景轉(zhuǎn)換而有所差別。最早也是最常用的判斷方法是在不同的觀測(cè)中尋找共有的成員，也即取交集。近來(lái)很多研究采取多度（abundance）-占域（occupancy）分布的思路（Delgado-Baquerizo et al., 2018, Science, 359:320–325; Shade and Stopnisek, 2019, Curr Opin Microbiol, 49:50–58），將具有一定多度和發(fā)生（occurrence）的微生物群落成員視作核心微生物群系。但是核心微生物群系的判定標(biāo)準(zhǔn)多為人為指定，在面臨多個(gè)群落時(shí)，也不可避免地出現(xiàn)涉及的群落越多，所能確定的核心越小的問(wèn)題。

有鑒于此，本文提出了一種基于各群落成員在不同亞群落（sub-community）中的發(fā)生頻度（frequency of occurrence）確定群系核心成員的方法，并且通過(guò)隨機(jī)抽樣的自展策略檢驗(yàn)核心微生物群系的統(tǒng)計(jì)強(qiáng)度，為核心微生物群系最終確定適當(dāng)?shù)膭澐謽?biāo)準(zhǔn)及相應(yīng)的核心成員。

圖1. 確定核心微生物群系成員的方法。

a) 在指定閾值下，由真實(shí)群落確定的核心成員。首先，在指定閾值下（如閾值設(shè)為頻度80%或60%）在各個(gè)亞群落中確定其中的準(zhǔn)核心（core’）成員。在所有的亞群落中，如果該成員在高于該閾值的亞群落中（即80%或60%以上的亞群落中）都被確定為準(zhǔn)核心，則該成員最終被確定為核心（core）群系成員。

b) 在指定閾值下，由隨機(jī)群落確定的核心成員。對(duì)元群落（meta-community）進(jìn)行隨機(jī)抽樣，得到隨機(jī)亞群落集（如100個(gè)）。將閾值設(shè)定為0-99%，并按照a)中所述方法計(jì)算在每一閾值下，隨機(jī)亞群落集的核心群系成員。

c) 對(duì)核心群系成員進(jìn)行統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)。在閾值為0-99%的范圍內(nèi)，比較真實(shí)群落核心成員和隨機(jī)群落核心成員。當(dāng)兩個(gè)核心成員集合高度相似時(shí)（本文中設(shè)定為完全相同，即Jaccard Index為1），認(rèn)為此時(shí)的核心成員具有較高的統(tǒng)計(jì)支持率。顯而易見，可以在不同的閾值范圍上得到兩者高度相似的成員集合，此時(shí)可將成員集合劃分成不同的等級(jí)（Tier），以體現(xiàn)其“核心性”的差異。

圖2. 應(yīng)用上述方法，確定了包括馴化和野生小麥在內(nèi)的六種植物內(nèi)生真菌群落的核心群系成員。

a)–f)為六種植物，圖中x軸為0-99%的閾值取值，實(shí)線表示在當(dāng)前閾值下核心群系成員的數(shù)量，虛線表示在當(dāng)前閾值下核心群系成員的相對(duì)多度（relative abundance, RA），其中深色為真實(shí)群落結(jié)果，淺色為隨機(jī)群落結(jié)果?；疑珜?shí)線為Jaccard系數(shù)。在本文中，Jaccard系數(shù)為1時(shí)，該閾值所確定的核心群系集合為受統(tǒng)計(jì)支持的集合。考慮到后續(xù)統(tǒng)計(jì)分析對(duì)群落數(shù)據(jù)的對(duì)稱性，本研究中用來(lái)確定核心成員時(shí)，閾值確定在占相對(duì)多度一半（RA=50%）附近，以黑色方框標(biāo)注。

通過(guò)這一方法，本文確定了生長(zhǎng)于以色列地區(qū)的Triticum aestivum（小麥）和五種谷物野生種Aegilops peregrina (小麥近親), Aegilops sharonensis (小麥近親), Avena sterilis (野生燕麥), Hordeum spontaneum (野生大麥), Triticum dicoccoides (野生小麥)中，莖稈部位的內(nèi)生真菌群落的核心真菌群系。

同時(shí)，研究發(fā)現(xiàn)，核心真菌群系的成員與非核心的成員在群落組成動(dòng)力學(xué)上表現(xiàn)出了明確的差異。但是不同的分析方法中表明，核心成員與非核心成員從不同方面上各自表現(xiàn)出了一定程度的確定性。進(jìn)一步的隨機(jī)共發(fā)生網(wǎng)絡(luò)分析表明，這種非核心成員的確定性有可能是由廣泛存在的種間相互作用所導(dǎo)致的。

值得注意的是，小麥在核心成員的確定以及非核心成員的群落動(dòng)力學(xué)上明顯表現(xiàn)出了與野生種不同的趨勢(shì)，這或許顯示了馴化過(guò)程對(duì)植物共生微生物群系的巨大影響。

圖3. 中性群落模型（neutral community model, NCM）和相異重合曲線（dissimilarity overlap curve, DOC）結(jié)果表明，群落中核心群系部分和非核心部分表現(xiàn)出了不同的群落性質(zhì)。

a) 群落的非核心部分中，符合中性模型的成員占絕大多數(shù)，在核心部分中，不符合中性模型的成員比例有所上升。這表明群落的非核心部分在群落建成中具有隨機(jī)性過(guò)程。

b) 內(nèi)生真菌群落的核心部分都不表現(xiàn)通用動(dòng)力學(xué)（universal dynamics）。在非核心部分中，除了小麥之外都表現(xiàn)出了一定通用動(dòng)力。這表明群落的非核心部分在群落建成中具有確定性過(guò)程，與a)中觀察相悖。

圖4. 隨機(jī)亞群落構(gòu)建的組合共發(fā)生網(wǎng)絡(luò)表明，除了馴化小麥之外，其他物種野生植物內(nèi)生真菌群落都表現(xiàn)出了頻繁的和相對(duì)穩(wěn)定的種間互作關(guān)系，并且這些種間互作大多發(fā)生在多度較低的群落成員中。這一結(jié)果表明，群落的非核心部分中，在通用動(dòng)力學(xué)方面表現(xiàn)出的確定性過(guò)程或許由非核心群系成員的種間互作關(guān)系所導(dǎo)致。