土壤中吃“遗体”的微生物组

微生物是生态系统中的最为重要分解者，那么它们是如何分解自己的“遗体”呢？

今天，我们特别编译发表在Trends in Microbiology杂志上关于土壤真菌尸微生物组的文章。希望本文能够为各位读者带来一些启发和帮助。

真菌尸微生物组

近年来，死亡的微生物细胞作为土壤有机质直接来源的价值得到越来越多的认可^1,2。这些细胞被统称为微生物残体（microbial necromass），目前被认为是土壤中长期储存的碳的重要来源^3,4。微生物残体还被证明在土壤养分供应上具有重要作用，尤其是在植物和微生物的氮补给方面^5,6。

具体地，真菌来源的残体比细菌来源的残体更加丰富^3,4。因此，更好地了解参与分解真菌残体的微生物群落，能够提高对碳和营养物质如何从真菌残体转移到地上和地下生态系统的认知^5,6。此外，通过表征不同微生物功能类群在真菌残体分解过程中的相互作用，对于准确地将这些相互作用整合至土壤生物地球化学循环生态系统模型中十分关键^7,8。

本综述聚焦于与分解真菌残体相关的微生物群落（又名真菌尸微生物组，fungal necrobiome）的结构和动力学方面的进展。此外，我们还围绕真菌残体分解提出了一系列待解决的问题，以将尸微生物组组成与微生物之间的相互作用更清晰地联系起来。

已知1

真菌残体能够被迅速定植

细菌和真菌对真菌残体的定植似乎发生得非常迅速。将真菌残体样本在土壤中孵育7-8天后再进行取样，发现其微生物群落结构与周围土壤微生物群落结构存在显著差异^10-12，这意味着在真菌衰老后不久就会发生活跃的定植活动。然而，由于微生物生长速度非常快，因此需要较短的采样时间间隔（例如1-6天）来确定真菌残体的定植速度究竟有多快。

微生物定植也可以使用定量PCR等方法进行评估，相比高通量测序（HTS）技术，前者能够更准确地估计微生物丰度。Brabcová等人发现，在森林土壤中孵育的真菌残体在7天后就能够监测到显著的细菌丰度，然而，在森林凋落物中孵育该真菌残体在14天后才能检测到细菌¹⁰。考虑到这两种情况随后发展出的微生物群落高度相似，表明环境条件（例如，水分）可能是控制真菌残体相关微生物群落发展速率的重要因素。

已知2

真菌残体孕育着一个特异且不断变化的微生物群落

与降解真菌残体相关的微生物群落已被证明与周围环境中存在的微生物群落不同。与土壤相比，在其他一系列的生态系统（草原¹²、热带草原¹²、落叶林^12,13）的真菌残体中，其相关的细菌和真菌群落的物种多样性都被证明较低。ɑ-多样性的变化与物种丰富度的下降密切相关，尽管在衰变的真菌残体上，物种均匀度也会发生下降¹¹。

虽然在衰变的真菌残体上的微生物的ɑ-多样性普遍低于周围环境，但这一差距会随着时间的推移明显减小。这种模式已在周、月、年的时间尺度上得到证实^11,12,14。如果由于非生物因素（如淋洗或微生物消耗）导致残体被迅速消耗，那么可以预见ɑ-多样性会在分解的早期阶段达到峰值，然后随着时间的推移而下降。

然而，实际上，在各种不同类型生态系统的研究中，ɑ-多样性相对稳定，始终保持同一水平（有时甚至增加^12,14），甚至在原始真菌残体的生物量不再发生变化时也是如此。

考虑到微生物物种组成在这段时间内发生了变化，因此，在分解早期和分解后期之间发生的群落成员替换，可能是为了保持ɑ-多样性的相对稳定。正如在其他有机质类型上观察到的那样，群落的变化可能与资源可利用性的差异是平行存在的^15,16，但这也反映出这些被分解的微生物本身可能是其他生物寄生和捕食的对象^17,18。例如，Maillard等人发现在残体分解的过程中这些真菌残体上的以真菌为宿主的寄生虫的丰度明显增加¹¹。

随着ɑ-多样性的降低，衰变的真菌残体上的微生物群落在菌株组成上与周围环境也变得不同（即β-多样性）。土壤中蕴藏着在分类和功能上都高度多样化的微生物群落，衰变真菌残体上微生物的定植通常涉及到不同的微生物类群，而这些微生物类群会在不同的时间段出现。

在初始定植阶段（最初几天到几周内），细菌群落往往以δ-变形菌纲和β-变形菌纲中的成员为主^12,13。早期定植的真菌群落集中在毛霉亚门的被孢霉目和子囊菌门的散囊菌目，通常是一些快速生长的霉菌^10,11。

在残体分解的后期（几个月到几年不等），细菌群落有所增加，并以拟杆菌门、α-变形杆菌纲和芽孢杆菌纲为优势微生物^12,14。对于真菌而言，后期定植者包括伞菌目、Cystofillobasidales和酵母菌目^14,19，这些真菌涵盖了多个门，并具有多种生长形态（如菌丝和酵母）。

从功能性角度而言，随着时间的推移，衰变的真菌残体上的细菌群落组成一直被认为是由富营养类群向寡营养类群转变的^12,13。同样地，真菌群落的组成常常随着时间的推移而改变，变成具有更强的能降解难降解化合物的酶能力的类群（例如，担子菌类真菌的增多^11,13）。

这些组合的变化与真菌残体分解过程中化学物质的变化大致相同，随着时间的推移，残体中的氮含量下降，芳香族化合物含量增加²⁰。这意味着真菌功能性群落的发展似乎受到初始真菌残体化学组分的影响。

如Brabcová等人以及Fernandez和Kennedy分别发现初始碳氮比和黑色素化水平对残体相关的微生物组成具有重大影响^13,21。最近，Maillard等人发现残留下的真菌残体中脂质含量是判断真菌和细菌群落组成的一个强有力的预测因子¹⁹。研究发现，脂肪族化合物比芳香族化合物（如黑色素）在真菌残体中占比更大，这可能在决定分解者群落组成方面起着特别关键的作用^20,22。

一个相关的生态学问题是与衰变真菌残体相关的微生物在其他类型的有机物上出现情况。Brabcová等人的研究直接地回答了该问题。他们比较了土壤、凋落物层以及在这两个地点的真菌残体上的微生物群落。他们发现，无论真菌残体是在土壤中孵育还是在凋落物中孵育，其微生物群落组成与周围环境中的微生物群落组成都显著不同。

此外，他们还表示，这种组成差异在真菌残体衰变的早期和晚期都存在，这意味着真菌残体上孵化出的细菌和真菌群落在很大程度上具有底物基质特异性¹⁰。

然而，通过比较在同一地点进行的研究，Fernandez和Kennedy以及Fernandez等人发现外生菌根真菌小垫革菌属在真菌残体和植物凋落物上有较高丰度^21,23。

在实验室水平上，López-Mondéjar等人探究了与真菌残体相关的细菌和真菌对其他有机物的降解能力²⁴。通过对来自不同基质的碳的同位素追踪，他们发现大部分可以在真菌残体上生长的细菌和真菌也可以在植物凋落物上生长。总的来说，这些结果表明在真菌残体和其他有机物上都可能存在着微生物分解者，但群落分化可能是在原位发生的，而这或许与生态因素（如资源竞争）有关。

已知3

真菌尸微生物组具有环境敏感性和持续一致性的特点

在越来越多关于衰变真菌残体上微生物群落结构的研究中，有多项研究报道了残体上的微生物群落结构对环境条件变化具有敏感性。

例如， Maillard等人发现，木材和土壤——两种在生物和非生物方面存在多种差异的栖息地的真菌残体相关群落的α-多样性不同，前者明显低于后者¹¹。类似地，森林和草原真菌残体相关的微生物群落β-多样性也被证实存在明显差异，这些采样点也有着截然不同的生物和非生物条件¹²。

虽然这些例子表明环境变化可能很重要，但多重共线性问题使得很难确定真菌残体相关的微生物群落如何具体地做出特异性应答。

Maillard等人建立了一个包含地上和温度升高到9摄氏度的地下田间实验场地。结果表明，温度升高显著改变了泥炭地土壤真菌残体相关群落。具体而言，由于气温升高降低了泥炭地水深，通常出现在较低位置的真菌残体相关微生物群落在组成上变得与来自较高位置的群落相似。

虽然这是我们所知的唯一一项直接检验真菌残体相关微生物群落对条件改变的反应的研究，但仍有许多环境因素（如水分有效性、养分的添加、土壤扰动、土地管理）需要去探究，这将有助于更好地确定驱动真菌残体群落结构变化的主要影响因素¹⁹。

尽管上述环境因素对真菌残体相关的群落结构有影响，但越来越多的研究发现，不同环境条件下的微生物群落组成（无论是细菌还是真菌）在属水平有惊人的相似性，这表明可能存在一组的核心类群“统治”着真菌尸微生物组¹²。

例如，粘氨醇杆菌属、假单胞菌属、戴氏菌属和噬几丁质菌属在横跨欧洲和北美以及温带和北方生物群落的研究中都是较丰富的属^{10,12-14,19,21}。同样，被孢霉属、木霉属、伞状霉属和革菌属在上述研究中被发现也是最常见的真菌。

虽然仍存在着有趣的例外，但是这些研究的结果表明，上述微生物属也许能够尤其高效地利用真菌残体资源。这种分类模式确实显示出一些与细菌和真菌已知生理功能（如几丁质降解）的关联性^25,26，但我们怀疑，更多的研究可能也揭示了其对特定多糖（如葡聚糖）或脂质（如麦角固醇）的亲和力，而这些物质主要存在于真菌细胞²⁷。重要的是，上述细菌属和真菌属的大多数都能在实验室条件下实现良好培养，这将极大地有利于进一步生理分析研究^25,28,29。

已知4

某些真菌分解者优先定植于与其密切相关的残体上

关于真菌残体相关真菌群落组成的最后一个新兴研究趋势是观察到由某些同属类群的定植现象。

Maillard等人在最近的研究中清楚地观察到了这一现象¹⁹。他们发现真菌Meliniomyces bicolor和Oidiodendron griseum的残体上显著富集了同一属的真菌分解者。这两种残体的共同生态学特征是两者都属于杜鹃类菌根真菌，它们能够在低氮生态系统中生长，这意味着它们具有高效的氮获取能力³⁰。此外，由于该研究是在一个有杜鹃类灌木的低滋养性森林沼泽地进行的，所以观察到同类别定植也不足为奇。

不过，Beidler等人在Mortierella elongata真菌残体上重复出了类似的结果¹²。具体来说，在四个采样点中，相较于其他类型的真菌残体，Mortierella属的成员都更多地富集在M.elongata残体的菌丝上，这表明这种同源定植模式（CCP）并不只发生在单一类型的生态系统中。

然而，导致CCP的机制还尚不清楚。有可能是因为同源类群对同源的真菌残体具有高效的趋化能力；和/或它们的酶促能力尤其适用于分解相似的细胞。无论是趋化性分析，还是同源与非同源真菌残体的降解分析，这两者都将有助于解析这一现象背后的理论与机制。

未知1

微生物之间的相互作用是否能够改变真菌尸微生物组的组成?

细菌和真菌虽然都是真菌尸微生物组的组成部分，但是有关它们之间的相互作用、定植动力学，亦或与真菌残体本身生物量减少和化学改质件的具体联系的研究都还非常少。

基于其他有机物分解类型的证据³¹，这些不同微生物之间的相互作用似乎很有可能会对尸微生物组群落动态造成戏剧性的影响。例如，真菌似乎可能通过产生不同的代谢物，影响细菌种群密度和/或物种组成，进而影响群落动态变化³²。类似地，虽然细菌和真菌很可能会在真菌残体中竞争最不稳定的资源，但来自真菌的酶对更难处理的化合物的改性能力可能是“解锁”大多数细菌不能立即获得的资源的关键。

此外，越来越多的证据表明真菌菌丝可以充当细菌运动的“高速公路”³³。因此，真菌在真菌残体上的生长可能是细菌定植的一个重要促进因素。

上述模式也可能在另一个方向起作用，细菌能够促进真菌对真菌残体的“开发”。比如说，丛枝真菌借助细菌的降解能力从有机基质中溶解磷（它们无法独立获得磷）³⁴。

未知2

残体具有的不同资源分别是被哪些微生物在何时利用的？

与其他土壤有机质类型（如凋落叶）不同，真菌残体中的不同资源是由哪些微生物分解的尚不清楚¹⁵。迄今为止的大多数工作都是基于分子鉴定去推断生理功能，但同位素示踪方法的使用提供了一种更直观的方法来评估哪些微生物负责特定资源的利用³⁵。

目前，稳定性同位素探测（SIP）技术已被应用于两项研究，以检测真菌残体的碳同化情况。Zeglin等人在温带针叶林中孵育富集了¹³C的真菌残体，并在7天后利用磷脂脂肪酸稳定同位素探测技术（PLFA-SIP）测定了特定微生物群体的碳吸收情况³⁶。他们发现真菌是碳富集最多的一组微生物，其次是革兰氏阴性菌（相比之下，革兰氏阳性菌没有表现出明显的碳富集）。

López-Mondéjar等人使用野外收集的森林土壤，在实验室条件下，对富集¹³C的真菌残体进行了为期21天的孵育，并使用DNA-SIP技术评估碳进入细菌和真菌的活动。与Zeglin等人研究结果不同的是，他们发现细菌中所含的来自真菌残体的¹³C比真菌中更常见，尽管这两种类型的微生物在不同的类群中都表现出¹³C富集²⁴。

显然，这两个研究结果存在显著差异，为了能够更好地确定共同出现在衰变真菌残体上的真菌和细菌的功能作用，需要展开更多的基于同位素技术的相关研究。我们建议这些研究能够开展实地试验或围隔实验，并以多资源为重点。比如说，碳和氮的独立同位素标记可以更好地辨别分解过程中不同微生物针对的是哪种资源。

此外，更多使用高通量测序（HTS）以外的方法量化每个类群丰度的研究将有助于验证细菌和真菌种群如何随着时间的推移在残体上共同产生的动态变化。具体地，这可以通过分子分析（如qPCR）或化学分析（如PLFA）来实现，也可以结合经典的微生物学方法（如抗生素梯度培养³⁷）。后者在分离出每一组的代表性菌株上存在优势，筛选之后可以更具体地测定它们在不同真菌残体组分上的生长能力。

未知3

其他营养级是否对真菌尸微生物组具有重要影响？

第三个值得进一步研究的领域是其他营养级对真菌尸微生物组群落动态变化的影响。特别是在土壤中，众所周知，细菌和真菌能够与各种不同的有机体相互作用，尤其是作为更高营养级的食用对象³⁸。

例如， Crowther等人发现真菌-真菌相互作用会在食真菌螨的存在下产生显著不同的结果³⁹。线虫被划分为掠食细菌和掠食真菌两种营养模式，这使它们普遍存在于土壤中⁴⁰。线虫可能是真菌和细菌群落动态变化的关键介质。

另外，其他微生物的存在和活动可能是充分利用残体资源的关键。Rozmoš等人在最近的研究中表明，原生生物可能也发挥了作用⁴¹。该研究发现，与只含有细菌和真菌的样本相比，原生生物的存在使真菌对几丁质中氮的利用率提高了65%。

虽然对真菌尸微生物组菌群组成变化的预测可能是系统特异性的，但我们怀疑真菌残体的转变可能往往由较高的营养级推动——通过调节微生物-微生物竞争和影响残体本身的质量和数量。就后者而言，土壤中的中型土壤动物，如粘管虫，它们能够直接以真菌残体为食⁴²。

迄今为止，大多数研究中都使用了尼龙网袋，这较大地限制了掠食真菌的动物的进入，因此我们可能低估了中型土壤动物对真菌残体分解的作用。

对中型土壤动物分解真菌残体的直接物理性限制还与这样一个事实有关：有机物转化为粪便加速了分解速率⁴³。因此，开发允许土壤动物自由定植真菌残体的实验装置对于真菌残体的分解过程至关重要，这有助于更好地整合非微生物营养级以及探究其对残体相关微生物群落的直接和间接影响。

结论与未来展望

从模型到过程，再到机制，关于真菌尸微生物组结构的认知现在已较为充分⁴⁴。这是令人兴奋的，但是，我们距离充分理解支撑这些群落的进程和机制还有很长的路要走。展望未来，对真菌尸微生物组的研究肯定会受益于各种基于组学的方法应用，但也可以用经典的微生物学技术来进行研究，因为真菌残体上的许多优势微生物都是可培养的。

此外，不同专业知识背景研究小组之间应加强合作，这有助于将真菌尸微生物组的研究从描述性研究变为越来越具有预测性的研究。

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原文链接：

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0966842X22002426

作者｜Peter G. Kennedy & François Maillard

编译｜张砚宁

审校｜617

编辑｜豫小鱼

来源 | 肠道产业 2022-11-29