兰科鸟巢兰族植物菌根真菌多样性研究

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兰科植物是一类在自然界中分布极为广泛的被子植物,在观赏、医药、科研等方面均有重要价值。鸟巢兰族是兰科下的一族,包括鸟巢兰属、无喙兰属、火烧兰属、对叶兰属等,并涵盖了光合自养型、混合营养型和完全真菌异养型三种营养类型。由于生存环境恶化、授粉昆虫丧失、种子萌发率低等因素,该族的许多物种已濒临灭绝,因此对该族植物的保护刻不容缓。几乎所有的兰科植物都是菌根依赖型植物,菌根真菌在兰科种子萌发及植株整个生长阶段都起着不可或缺的作用,因此,深入开展兰科植物菌根真菌的研究对于兰科植物保护极为重要。然而,目前我们对兰科鸟巢兰族菌根真菌的认识还很有限,对该族植物与菌根真菌的共生关系知之甚少,限制了对该族植物的生物多样性保护及保护措施的制定。为了解鸟巢兰族植物根部真菌是否具有多样性,我们对吉林玉女峰地区采集的长苞头蕊兰进行了根部真菌分离试验,主要采用组织块表面消毒法,并在长苞头蕊兰的根部成功分离出6株真菌,分离纯化后进行ITS测序进行分子鉴定。随后,为了明确影响鸟巢兰族植物菌根真菌的多样性因素,我们根据样本设定了生境、营养关系以及亲缘关系三个因素。选取合适的鸟巢兰族植物根部对真菌ITS区序列通过高通量测序获取基因组信息,使用R语言、IQtree、QIIME等软件对真菌序列进行生物信息学分析,从而探究影响鸟巢兰族植物的菌根真菌类群多样性的因素。结果如下:(1)从长苞头蕊兰中分离的6株真菌分别隶属于Mortierellaceae、Polyporaceae、Diaporthaceae、Schizophyllaceae真菌,其中Mortierellaceae和Schizophyllaceae真菌已经被报道为兰科植物的菌根真菌,剩下的两种尚未有文献报道是否为菌根真菌。进行后续种子萌发实验显示,分离出的6种真菌不能使长苞头蕊兰种子萌发。(2)通过对北京地区采集的北方鸟巢兰、尖唇鸟巢兰和北京无喙兰的根部进行高通量测序发现,三种植物的优势菌根真菌均属于Sebacinaceae。北方鸟巢兰的菌根真菌α多样性要高于另外两种,北京地区的三种鸟巢兰植物之间菌根真菌的多样性差异极为显著(PERMANOVA:R~2=0.86,p<0.01);在云南地区所采集的北方鸟巢兰、叉唇对叶兰、西藏对叶兰和福贡对叶兰中。四种植物的优势菌种不同,其中北方鸟巢兰的优势菌根真菌为Sebacinaceae,而其余的优势菌根真菌均来自Serendipitaceae。北方鸟巢兰和叉唇对叶兰的菌根真菌α多样性分别是最低和最高的,四种植物的菌根真菌群落多样性差异显著(PERMANOVA:R~2=0.68,p<0.05);北京地区和云南地区的北方鸟巢兰的优势菌根真菌均来自Sebacinaceae,通过α多样性分析发现北京地区的北方鸟巢兰菌根真菌的物种更加丰富,云南地区的北方鸟巢兰菌根真菌的均匀度和多样性要更高。两个地区北方鸟巢兰菌根真菌群落多样性差异并不显著(PERMANOVA:R~2=0.87,p>0.05),而对样本之间的地理距离和菌根真菌系统发育类群差异度PCD以及真菌OTU数的显著性检验发现p值均大于0.05,表明地理距离与菌根区系差异无显著相关性(PCD:p=0.3,PCDc:p=0.8,PCDp:p=0.4;R~2=0.47,p>0.05)。(3)将采集到的北方鸟巢兰、尖唇鸟巢兰、北京无喙兰、叉唇对叶兰、福贡对叶兰、西藏对叶兰、短柱对叶兰、大理铠兰、疏花火烧兰和北火烧兰按照是否有叶子(是否能进行光合作用)分成有叶的光合型和无叶的异养型。结果显示异养型的鸟巢兰族植物倾向于Sebacinaceae真菌共生,而光和型的鸟巢兰族植物的优势菌为Serendipitaceae,通过α多样性和β分析分析发现光合型的菌根真菌多样性以及丰富度都高于异养型,两种类型菌根真菌群落的差异极为显著(PERMANOVA:R~2=0.21,p<0.01)。在聚类分析中可以看出鸟巢兰族中的异养型植物几乎都以Sebacinaceae为优势菌根真菌特异性共生,光合型植物除Sebacinaceae外还能够与Serendipitanceae、Mortierellaceae、Ceratobasidiaceae、Russulaceae、Thelephoraceae等菌根真菌广泛共生,并且异养型的植物和光合型的植物几乎聚集在一起,说明营养关系对菌根真菌的多样性具有一定影响。(4)计算北方鸟巢兰、尖唇鸟巢兰、叉唇对叶兰、福贡对叶兰、西藏对叶兰、短柱对叶兰、大理铠兰和疏花火烧兰样本组之间的菌根真菌多样性,北方鸟巢兰的β多样性指数最高,各植物菌根真菌群落多样性之间极显著差异(PERMANOVA:p<0.01),通过对鸟巢兰族植物亲缘关系和共生菌根真菌的进化关系比较,结果发现宿主与共生真菌之间的系统发育信号较弱(K<1),同样地,也不存在显著的共生信号(Para Fit Global=0.3705,p-value=0.713),推测可能是由于野外复杂环境产生了影响,还需要后续去除环境因素深入实验。通过以上研究,我们发现营养关系是对菌根真菌多样性影响最为显著的因素,生境以及亲缘关系对菌根真菌的影响较小。鸟巢兰族植物菌根真菌多样性的影响因素和共进化关系的研究对揭示兰科植物和共生菌根真菌的作用机制有重要意义,也为濒危兰科植物的生物多样性保护提供了合适的理论依据。
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