确定“核心微生物群系”有了新方法，小麦表现特立独行

DOI：10.1128/spectrum.00611-23

原文链接：

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

第一/通讯作者：：孙翔（sunx@hbu.edu.cn）

主要单位：河北大学、以色列特拉维夫大学

近日，河北大学生命科学学院贺学礼教授团队——逆境菌根生物学团队孙翔博士在国际著名微生物学期刊 Microbiology Spectrum 在线发表题为 “Distinct Features Based on Partitioning of the Endophytic Fungi of Cereals and Other Grasses”的研究成果。Microbiology Spectrum 由美国微生物学会（American Society of Microbiology）主办，为中科院一区TOP期刊，最新影响因子9.04，是报道微生物学领域最新进展的综合性期刊。

核心微生物群系（core microbiome）是微生物群系研究中的一个重要概念，也是理解微生物群系的组成结构和功能结构的重要工具。其定义自提出以来变化较大，判断一个群落成员是否属于核心微生物群系的标准，在不同研究中也随研究场景转换而有所差别。最早也是最常用的判断方法是在不同的观测中寻找共有的成员，也即取交集。近来很多研究采取多度（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），将具有一定多度和发生（occurrence）的微生物群落成员视作核心微生物群系。但是核心微生物群系的判定标准多为人为指定，在面临多个群落时，也不可避免地出现涉及的群落越多，所能确定的核心越小的问题。

有鉴于此，本文提出了一种基于各群落成员在不同亚群落（sub-community）中的发生频度（frequency of occurrence）确定群系核心成员的方法，并且通过随机抽样的自展策略检验核心微生物群系的统计强度，为核心微生物群系最终确定适当的划分标准及相应的核心成员。

图1. 确定核心微生物群系成员的方法。

a) 在指定阈值下，由真实群落确定的核心成员。首先，在指定阈值下（如阈值设为频度80%或60%）在各个亚群落中确定其中的准核心（core’）成员。在所有的亚群落中，如果该成员在高于该阈值的亚群落中（即80%或60%以上的亚群落中）都被确定为准核心，则该成员最终被确定为核心（core）群系成员。

b) 在指定阈值下，由随机群落确定的核心成员。对元群落（meta-community）进行随机抽样，得到随机亚群落集（如100个）。将阈值设定为0-99%，并按照a)中所述方法计算在每一阈值下，随机亚群落集的核心群系成员。

c) 对核心群系成员进行统计检验。在阈值为0-99%的范围内，比较真实群落核心成员和随机群落核心成员。当两个核心成员集合高度相似时（本文中设定为完全相同，即Jaccard Index为1），认为此时的核心成员具有较高的统计支持率。显而易见，可以在不同的阈值范围上得到两者高度相似的成员集合，此时可将成员集合划分成不同的等级（Tier），以体现其“核心性”的差异。

图2. 应用上述方法，确定了包括驯化和野生小麦在内的六种植物内生真菌群落的核心群系成员。

a)–f)为六种植物，图中x轴为0-99%的阈值取值，实线表示在当前阈值下核心群系成员的数量，虚线表示在当前阈值下核心群系成员的相对多度（relative abundance, RA），其中深色为真实群落结果，浅色为随机群落结果。灰色实线为Jaccard系数。在本文中，Jaccard系数为1时，该阈值所确定的核心群系集合为受统计支持的集合。考虑到后续统计分析对群落数据的对称性，本研究中用来确定核心成员时，阈值确定在占相对多度一半（RA=50%）附近，以黑色方框标注。

通过这一方法，本文确定了生长于以色列地区的Triticum aestivum（小麦）和五种谷物野生种Aegilops peregrina (小麦近亲), Aegilops sharonensis (小麦近亲), Avena sterilis (野生燕麦), Hordeum spontaneum (野生大麦), Triticum dicoccoides (野生小麦)中，茎秆部位的内生真菌群落的核心真菌群系。

同时，研究发现，核心真菌群系的成员与非核心的成员在群落组成动力学上表现出了明确的差异。但是不同的分析方法中表明，核心成员与非核心成员从不同方面上各自表现出了一定程度的确定性。进一步的随机共发生网络分析表明，这种非核心成员的确定性有可能是由广泛存在的种间相互作用所导致的。

值得注意的是，小麦在核心成员的确定以及非核心成员的群落动力学上明显表现出了与野生种不同的趋势，这或许显示了驯化过程对植物共生微生物群系的巨大影响。

图3. 中性群落模型（neutral community model, NCM）和相异重合曲线（dissimilarity overlap curve, DOC）结果表明，群落中核心群系部分和非核心部分表现出了不同的群落性质。

a) 群落的非核心部分中，符合中性模型的成员占绝大多数，在核心部分中，不符合中性模型的成员比例有所上升。这表明群落的非核心部分在群落建成中具有随机性过程。

b) 内生真菌群落的核心部分都不表现通用动力学（universal dynamics）。在非核心部分中，除了小麦之外都表现出了一定通用动力。这表明群落的非核心部分在群落建成中具有确定性过程，与a)中观察相悖。

图4. 随机亚群落构建的组合共发生网络表明，除了驯化小麦之外，其他物种野生植物内生真菌群落都表现出了频繁的和相对稳定的种间互作关系，并且这些种间互作大多发生在多度较低的群落成员中。这一结果表明，群落的非核心部分中，在通用动力学方面表现出的确定性过程或许由非核心群系成员的种间互作关系所导致。