DOI：10.1128/spectrum.00611-23

原文鏈接：

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、以色列特拉維夫大學

近日，河北大學生命科學學院賀學禮教授團隊——逆境菌根生物學團隊孫翔博士在國際著名微生物學期刊 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 由美國微生物學會（American Society of Microbiology）主辦，為中科院一區(qū)TOP期刊，最新影響因子9.04，是報道微生物學領域最新進展的綜合性期刊。

核心微生物群系（core microbiome）是微生物群系研究中的一個重要概念，也是理解微生物群系的組成結構和功能結構的重要工具。其定義自提出以來變化較大，判斷一個群落成員是否屬于核心微生物群系的標準，在不同研究中也隨研究場景轉換而有所差別。最早也是最常用的判斷方法是在不同的觀測中尋找共有的成員，也即取交集。近來很多研究采取多度（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準多為人為指定，在面臨多個群落時，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，并且通過隨機抽樣的自展策略檢驗核心微生物群系的統(tǒng)計強度，為核心微生物群系最終確定適當的劃分標準及相應的核心成員。

a) 在指定閾值下，由真實群落確定的核心成員。首先，在指定閾值下（如閾值設為頻度80%或60%）在各個亞群落中確定其中的準核心（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，由隨機群落確定的核心成員。對元群落（meta-community）進行隨機抽樣，得到隨機亞群落集（如100個）。將閾值設定為0-99%，并按照a)中所述方法計算在每一閾值下，隨機亞群落集的核心群系成員。

c) 對核心群系成員進行統(tǒng)計檢驗。在閾值為0-99%的范圍內，比較真實群落核心成員和隨機群落核心成員。當兩個核心成員集合高度相似時（本文中設定為完全相同，即Jaccard Index為1），認為此時的核心成員具有較高的統(tǒng)計支持率。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，此時可將成員集合劃分成不同的等級（Tier），以體現(xiàn)其“核心性”的差異。

圖2. 應用上述方法，確定了包括馴化和野生小麥在內的六種植物內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，實線表示在當前閾值下核心群系成員的數量，虛線表示在當前閾值下核心群系成員的相對多度（relative abundance, RA），其中深色為真實群落結果，淺色為隨機群落結果?；疑珜嵕€為Jaccard系數。在本文中，Jaccard系數為1時，該閾值所確定的核心群系集合為受統(tǒng)計支持的集合?？紤]到后續(xù)統(tǒng)計分析對群落數據的對稱性，本研究中用來確定核心成員時，閾值確定在占相對多度一半（RA=50%）附近，以黑色方框標注。

通過這一方法，本文確定了生長于以色列地區(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，莖稈部位的內生真菌群落的核心真菌群系。

同時，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力學上表現(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。進一步的隨機共發(fā)生網絡分析表明，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力學上明顯表現(xiàn)出了與野生種不同的趨勢，這或許顯示了馴化過程對植物共生微生物群系的巨大影響。

a) 群落的非核心部分中，符合中性模型的成員占絕大多數，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性過程。

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

圖4. 隨機亞群落構建的組合共發(fā)生網絡表明，除了馴化小麥之外，其他物種野生植物內生真菌群落都表現(xiàn)出了頻繁的和相對穩(wěn)定的種間互作關系，并且這些種間互作大多發(fā)生在多度較低的群落成員中。這一結果表明，群落的非核心部分中，在通用動力學方面表現(xiàn)出的確定性過程或許由非核心群系成員的種間互作關系所導致。