【LorMe周刊】同中有异，异中有同：全球苹果果实微生物的调查与分析
作者：时成立，南京农业大学硕士在读，主要研究果树养分管理。
植物微生物组被认为是植物第二基因组，其直接或间接影响植物的生理、生化、生长、抗病、抗性和产品质量。全面深入研究植物微生物组的是推动第二次绿色革命发展的关键。苹果是世界上最受欢迎的水果之一，也是温带地区种植面积最大的水果作物。到目前为止，苹果根际、根内和叶际微生物已被广泛研究，但果实微生物组的研究鲜有报道，对于苹果果实微生物组的认识相当有限。此外，关于果实微生物组在采前和采后病害中的作用，以及果实生理方面的信息也很缺乏。因此，作者首次对苹果果实微生物进行了全球范围下的研究，测定了不同地区的苹果果实收获时不同组织中微生物群落的结构和多样性。以期开发使用微生物制剂来防治苹果在销售和长期储存期间发生的采后病害以及生理失调。
本研究以皇家嘎啦苹果为材料，在果实成熟期，选4个地区(北美、南美、欧洲和中东)中的8个国家(美国、加拿大、乌拉圭、意大利、西班牙、瑞士、以色列和土耳其)的21个果园进行采样，每个采样点选取8棵树，每棵树上选取5个苹果，并分别从每个苹果中取3种组织部位(果皮、果茎和萼端)，先用无菌钻孔器切去果核，果核的顶部和底部分别取1.5 cm作为果实的果茎和萼端。每个苹果用削皮器在果实周围获得一层大约1.5厘米宽的薄层。全球共505个样本，对其进行微生物DNA的提取和测序。
苹果取样的地理位置对苹果果实微生物多样性有显著影响。来自意大利的样本具有最高的真菌多样性，其次是来自土耳其和以色列的样本(图1A)。从意大利、美国和瑞士采集的苹果中细菌多样性最高(图1B)。
图1.从不同国家(加拿大、土耳其、以色列、意大利、乌拉圭、美国西部、美国东部、瑞士和西班牙)采集的苹果样本的细菌真菌多样性(香农指数)。
采样点的地理位置显著影响了果实微生物群落结构。其中，不同国家的果园中的果实微生物群落结构具有显著的差异，其变化在真菌群落之间更为显著(图2A)。不同果园中的微生物群落结构也存在显著差异，但其差异小于不同国家果园之间微生物群落的差异。
聚类分析表明，从美国西部、意大利、西班牙和以色列收集的苹果上的真菌群落与美国东部、加拿大、乌拉圭和瑞士苹果上的真菌群落共同组成一个独特的聚类(图2B)。而欧洲苹果(瑞士、意大利和西班牙)的细菌群落组成和结构相似度较高，而北美东部和南美苹果(美国东部、加拿大和乌拉圭)的细菌群落形成了一个单独的类群(图2D)。
总的来说，地理位置是决定苹果果实微生物群落结构的主要因素。并且，真菌群落比细菌群落受地理位置(国家和国家内的地点)的影响更为明显。
图2.基于Bray-Curtis相异距离的真菌(A)和细菌(C)群落组成和分别来自不同的国家和地区苹果真菌(B)和细菌(D)群落的相似性。
将所有样品整合分析时，组织类型对真菌多样性（Shannon）无显著影响，但不同国家或不同果园之间和苹果组织类型上的真菌群落多样性之间存在显著的交互作用。在大多数果园中（除乌拉圭、土耳其和西班牙），花萼末端组织表现出较高的真菌多样性，其次是果皮和茎端组织（图3A)。与真菌多样性结果相反，组织类型对细菌多样性有显著影响，与取样地点无关。相对于果皮和萼端组织，茎端组织具有最高的细菌多样性(图3B)。PERMANOVA分析表明，组织类型、组织类型与国家、组织类型与果园之间对真菌群落组成具有显著影响。除此之外，从苹果花萼端、茎端和果皮收集的样本中其真菌群落和细菌群均存在明显的差异(图4)。
图3.从8个国家的21个果园采集的苹果组织(花萼、茎和果皮)中真菌(上)和细菌(下)的香农指数。
图4.苹果不同组织(花萼、茎和果皮)对真菌(A)和细菌(B)群落组成的影响。
为了检测核心和非核心群体之间的潜在相互作用，通过基于细菌和真菌属的归一化分布模式构建相关矩阵来描述共生情况(图5A)。聚类分析表明，该属可划分为细菌和真菌属混合共生的5个关键类群。核心种分布在两个簇中，每个簇包含两个最具优势的子囊菌属：Aureobasidium (绿色)和Cladosporium(紫色)。核心属与非核心属相互作用形成的网络由142条边组成，分别连接8个和60个核心属和非核心属(图5B)。在核心属-鞘氨醇单胞菌中，记录到的最高相互作用次数为30次。利用这个网络，我们可以确定微生物群落中核心和非核心属之间潜在的有用关系(图5B)。这些共生关联可以分别表示合作和竞争的相互作用，并可以服务于实验设计，以评估这些在体外和果实上的相互作用。
图5.苹果果实微生物组核心属和非核心属丰度分布的相关性矩阵(基于Spearman等级相关系数)(27种细菌和70种真菌)。
本研究通过高通量测序，以皇家嘎啦苹果果实为材料来评估大尺度和小尺度下微生物群落多样性的变化，并确定核心微生物的存在。研究结果表明，气候相似的国家或者半球中的苹果果实的微生物多样性相似度较高。其中，真菌群落的多样性和丰度差异比细菌群落更为明显。6种真菌属(Aureobasidium, Cladosporium, Alternaria, Filobasidium, Vishniacozyma 和 Sporobolomyces) 和2种细菌属(Sphingomonas 和 Methylobacterium) 代表了苹果核心微生物群。
论文信息
原名：Global analysis of the apple fruit microbiome: are all apples the same?
译名：苹果果实微生物组的全球分析：所有的苹果都是一样的吗？
期刊：Environmental Microbiology
IF2020：4.933
发表时间：2021.03.16
通讯作者：Samir Droby
通讯作者单位：以色列农业研究组织