编译：YQ，编辑：小菌菌、江舜尧。
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导读
水生植物在湖泊和湿地的沿海栖息地主导初级生产,是食草和食粪食物链的基础，为无脊椎动物、鱼类和鸟类提供食物，为细菌提供有机碳。大型植物可影响整个湖泊生态系统，对水分运动和泥沙动力产生影响，对湿地恢复、污水处理和入侵物种防御也有重要作用。大型植物生长阶段从水和沉积物中积累营养物质，在分解过程中有机物和无机成分释放回生态系统。因此，分解是关键的生态系统过程，它决定初级生产者的营养可用性，影响湖泊的生物多样性和食物链。微生物和无脊椎动物促进分解过程，启动食物链中碳和营养物质的同化。
水生真菌在水生生态系统落叶的微生物分解中起重要作用。真菌吸收落叶中的碳到菌丝和分生孢子中，同时产生降解叶组织的酶，引起凋落物腐烂和有机物损失。此外，真菌可通过快速的定殖和生长速度竞争生态系统中的其他物种。研究表明凋落物分解初期细菌数量增加，随湿度条件变化细菌群落组成没有变化。放线菌门细菌在分解后期有助于胞外降解酶的产生，且细菌可以在厌氧或高温的微生物群落中占主导地位。
细菌与真菌经常共存并相互作用，但对细菌与真菌在植物分解过程中的相互作用所知甚少。由于细菌和真菌在植物中争夺相同的底物，细菌可能会清除真菌胞外酶分解的产物，并且任可能互为食物资源。细菌-真菌共生关系包括外共生（细菌在真菌质膜外）和内共生（细菌在真菌细胞内）。白腐病病菌（Phanerochaete chrysosporium）的共生细菌在体外利用木质素分解产物，表明细菌可以从真菌中获取营养，而细菌和真菌在水生环境的共生关系研究较少。
本研究探究大型植物落叶分解相关的微生物群落和细菌-真菌互作，以及影响分解速率的环境因素。利用湖泊生态系统，选择了3种大型水生植物：茭白（Zizania latifolia，Zl）、黑藻（Hydrilla verticillata，Hv）、荇菜（Nymphoides peltata，Np），Illumina MiSeq进行微生物组测序。本研究有助于更好地了解大型植物落叶分解的微生物机制。
原名：Interactions between bacteria and fungi inmacrophyte leaf litter decomposition期刊：Environmental Microbiology① 试验材料（图1）。大型植物茭白（Zizania latifolia，Zl）、黑藻（Hydrilla verticillata，Hv）、荇菜（Nymphoidespeltata, Np），采集沉积物样品，于5、15、25℃孵化，分别在0、1、2、4、7、15、23、31d采样。② 水解酶活性测定。测定落叶元素成分和物质组成，如碳、氮、磷、纤维素、半纤维素、木质素含量。ELISA测定纤维素酶、木聚糖酶、多酚氧化酶、过氧化物酶活性。③ 微生物组测序。提取植物落叶总DNA，基于细菌16S rRNA、真菌18S rRNA基因进行扩增，PCR产物进行高通量测序。Olson指数衰减模型计算植物凋落物分解速率，计算α和β多样性指数，MENAnalyses Pipeline进行相关性网络分析。
图1 3种大型植物在不同温度下的分解过程试验设计
大型植物种类间的剩余生物量存在显著差异。15d后网袋浸出的Hv生物量超过70%，31d后80%的Np生物量和10%的Zl生物量损失。利用Olson指数衰减模型将生物量损失转化为分解速率，表明不同温度和植物种类的分解速率差异显著。3种植物的分解速率在25℃最高，Hv落叶分解速率最高，Zl最低。各植物在分解初期（1-7d）的分解速率远高于分解后期。Zl分解速率随时间先升高后降低，Hv和Np随时间不断降低。植物间的化学计量存在显著差异。养分含量上，Hv的碳氮比和碳磷比最高，Zl最低。物质组分上，除半纤维素含量外，纤维素和木质素含量差异显著。Zl的纤维素和木质素含量在分解过程中最高，Hv次之，Np最低。Np纤维素酶活性最高，Hv和Zl次之。Hv木聚糖酶活性在分解初期最高，Zl次之，Np最低。多酚氧化酶活性随温度显著变化，15℃时最低，25℃时最高，多酚氧化酶活性在Hv中最高。在分解过程中，氮、磷含量与水解酶活性呈负相关，与植物种类无关。碳氮比和碳磷比与木聚糖酶和过氧化物酶活性呈正相关。Hv和Np的纤维素酶活性和木聚糖酶活性呈显著正相关。氮含量与落叶分解速率呈显著正相关，而其他因子与落叶分解速率均无相关性。包括分类单元丰富度（OTU）和系统发育多样性（PD）在内的细菌α多样性随降解时间显著增加（图2），并受温度影响（表1）。在不同温度下，α多样性5<15<25℃，Zl的α多样性增长幅度最大。每种植物类型的细菌群落组成受降解时间以及这植物类型-降解联合作用的显著影响（表2）。分解过程中Zl和Np的细菌群落差异显著增加，而Hv的差异没有显著增加（图3）。所有细菌序列属于42门（亚门），所有样品的优势类群为γ变形菌门（Gammaproteobacteria）、拟杆菌门（Bacteroidetes），厚壁菌门（Firmicutes）和β变形菌门（Betaproteobacteria），它们的丰度在植物间存在差异。Np的厚壁菌门相对丰度最高，Hv最低。β变形菌门在Zl中丰度最高，Np最低。冗余分析（RDA）结果表明，剩余生物量、温度、植物类型、碳氮比、木质素含量、木聚糖酶活性与细菌群落组成显著相关（图4A）。真菌群落的α多样性在植物物种间存在显著差异，而不随时间显著变化（表1，图2）。分解过程中只有Np的真菌差异性显著增加（图3）。所有真菌序列均属于9个门（亚门）。其中担子菌门（Basidiomycota）、子囊菌门（Ascomycota）、隐子囊菌门（Cryptomycota）、壶菌门（Cryptomycota）、芽枝霉门（Blastocladiomycota）为优势类群，占总序列97.13%。担子菌门在分解过程中丰度减少，且在3种植物间显著差异，其中黑粉菌纲（Ustilaginomycetes）、银耳纲（Tremellomycetes）、外担菌纲（Exobasidiomycetes）、核菌纲（Nucletmycea）、伞菌纲（Agaricomycetes）为5个最丰富的类群。子囊菌门、隐子囊菌门和壶菌门的相对丰度随降解时间而增加，而温度对各门的相对丰度无显著影响。分解过程中，剩余生物量、植物类型、木聚糖酶活性均与真菌群落组成显著相关（图4B）。
表1 细菌和真菌群落α多样性指数的显著性置换多变量方差分析（PERMANOVA）检验
表2 细菌与真菌群落Bray-Curtis差异显著性的置换多变量方差分析（PERMANOVA）检验
图2 3种植物分解过程中细菌和真菌群落的分类单元丰度和系统发育多样性
图4 细菌（A）和真菌（B）群落组成相关的生理因素冗余分析（RDA）本研究基于细菌和真菌分类单元丰度构建每种植物的微生物共生网络（图5）。拓扑指标显示网络连通性分布曲线符合幂律模型（表3）。方差分析（ANOVA）表明聚类系数在植物间存在显著差异。Zl、Hv和Np的微生物共生网络分别有35个节点和670条边，214个节点和554条边，193个节点和579条边（表3）。3种植物中Hv的阳性连接比例最高（83.03%），表明共现性高，而Np阴性连接比例最高（图6）。60%以上的外周细菌和真菌分类单元与其他模块无联系。共现最多的细菌门为拟杆菌门、厚壁菌门、β变形菌门和γ变形菌门。担子菌门是Zl和Hv中与拟杆菌门共生的唯一的真菌门。将细菌与真菌的共生和共排斥模式划分为模块，Zl网络有2条正相关链，2条负相关链；Hv网络有3条正相关链；Np网络有12条负相关链（表4）。虽然Zl和Np的中心分类单元与隐子囊菌门呈负相关，但Zl和Hv的中心分类单元与担子菌门呈正相关（图6A）。Hv中的2199b（拟杆菌门，黄杆菌属）与3种真菌存在相关性（图6B）。Zl的细菌与真菌的相互关系较复杂，而Np仅有一对细菌-真菌呈负相关（图6C）。216f（子囊菌门，酵母菌目）与10种细菌呈负相关。
表3 植物落叶中细菌和真菌群落间的分子生态网络（MEN）拓扑特性
表4 共生网络中的网络中心、模块中心和连接的细菌和真菌种类
图6 随分解时间的网络中心、模块中心和连接的细菌和真菌种类动态
影响植物分解速率的主要环境因素是气候、温度、pH值、溶解氧饱和度、微生物分解者和无脊椎动物。落叶分解速率很大程度上受环境和生理变量影响。本研究表明温度对大型植物落叶分解速率有显著影响。植物对温度升高的响应可能会影响微生物群落结构，对凋落物分解产生影响。此外，温度可通过改变酶活性和膜传输效率，改变微生物群落生长速率，影响微生物生长和活性。
大型植物的再循环受凋落物中结构碳含量的影响。营养浓度高、木质素、单宁、酚类含量低的植物材料分解速度快，因此Hv和Np的分解过程比Zl快。然而，只有Hv的分解速率与温度有关。因此，凋落物质量对微生物分解作用的温度敏感性有显著影响。
共现网络代表生态系统中各物种相互作用，如竞争和互利共生。本研究构建细菌和真菌群落的共现网络预测它们的相互作用。Hv中的微生物正相关程度最高，即存在共现趋势。Hv的中心分类单元，如OTU2199b（黄杆菌科），与3种真菌物种共生。所有中心分类单元均与担子菌门的真菌种类发生共生，这些分类单元属于分解纤维素的真菌。
高质量凋落物促进参与分解的微生物类群之间的相互作用。Hv分解早期的中心细菌分类单元（黄杆菌属，作为磷酸盐增溶剂发挥作用）与占优势的真菌分类单元共生。磷含量在分解初期的快速损失为溶磷剂与其他微生物之间的共生提供条件。磷在DNA复制和转录中起重要作用，影响微生物生长。研究表明腐烂初期的细菌活动使木材更容易被真菌感染。一些细菌以黏液层的形式分泌胞外物质可作为真菌的糖储备。因此，细菌和真菌的共生模式是由于细菌和真菌密切的生物物理和代谢作用。
本研究中细菌与真菌的负相关模式主要存在于Np中。负相关模式与生态位、种间竞争、毒素分泌等方面有关。不同的负相关程度表明不同环境下的竞争强度和生态位分化程度不同。Hv网络中负相关比例较低，表明分解过程中微生物普遍存在互利共生。Np中负相关比例较高，说明种间竞争严重。
细菌和真菌可竞争相同物质，且细菌可以清除真菌的胞外酶分解产物。本研究发现δ变形菌纲、厚壁菌门和螺旋体门的几种细菌与子囊菌门负相关。子囊菌门子囊菌纲可分泌多种胞外酶，胞外酶的活性可以导致水溶性糖和酚类化合物的产生，是真菌的能量和碳来源。因此细菌剥夺了真菌的能量来源，导致纤维素降解减少。
Zl和Np的网络中心分类单元与同属于隐囊菌门的真菌LKM11呈负相关。在岩屑食物链中，隐囊菌门可以寄生于主要的岩屑消费者上，降低宿主生长速度，从而降低CO2排放，对水生生态系统中大型植物的分解起重要调节作用。
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