Phylum-level diversity of the microbiome of the extremophilic basidiomycete fungus Pisolithus arhizus (Scop.) Rauschert: An island of biodiversity in a thermal soil desert

嗜極擔(dān)子菌Pisolithus arhizus (Scop.) Rauschert的微生物組的門級多樣性：熱土壤沙漠中的生物多樣性島嶼

來源：MicrobiologyOpen. 2020;9:e1062. | 1 of 16

 

1. 論文摘要核心內(nèi)容

 

研究揭示了極端嗜熱擔(dān)子菌Pisolithus arhizus子實(shí)體的微生物組多樣性：在黃石國家公園酸性熱土壤（pH 1-3）中，該真菌形成封閉子實(shí)體，內(nèi)部積累硫元素和金屬顆粒，創(chuàng)造了獨(dú)特的"生物多樣性島嶼"。通過高通量DNA測序和生物地球化學(xué)分析發(fā)現(xiàn)：

 

子實(shí)體微生物組的豐富度與多樣性顯著高于周圍土壤（圖A2, A3）。

 

 

 

微生物組以變形菌門（主要為Burkholderia）為主，并富集奇古菌門（WS3）、硝化螺旋菌門等（圖4a）。

 

氧氣微電極測量揭示子實(shí)體內(nèi)存在毫米級的劇烈氧濃度梯度（4倍大氣氧?近缺氧區(qū)）（圖2）。

 

發(fā)現(xiàn)兩個(gè)潛在新細(xì)菌門級分類群（候選門輻射群CPR）。

 

2. 研究目的

 

驗(yàn)證三個(gè)核心假設(shè)：

 

1.子實(shí)體微生物組是否顯著區(qū)別于周圍土壤群落。

2.微生物組是否以化能合成細(xì)菌為主（支撐真菌在無宿主環(huán)境生存）。

3.是否包含未描述的門級微生物新類群。

 

3. 研究思路

 

1.采樣與預(yù)處理：

 

從黃石公園三個(gè)酸性熱土壤位點(diǎn)（pH 1-3）無菌采集P. arhizus子實(shí)體及周圍土壤（n=9）。

 

通過ITS-RFLP確保子實(shí)體為單一物種。

2.生物地球化學(xué)分析：

 

元素組成：ICP-MS分析子實(shí)體與土壤的金屬含量（表1）。

 

代謝物：GC-MS檢測子實(shí)體內(nèi)部烴類化合物（附表A1）。

 

 

氧梯度：Unisense微電極原位測量子實(shí)體內(nèi)氧濃度剖面（圖2）。

 

內(nèi)含物：FTIR鑒定子實(shí)體顆粒成分為硫包裹的純二氧化硅（圖A1）。

 

3.微生物組分析：

 

16S rRNA基因高通量測序（itags）比較子實(shí)體與土壤微生物群落（圖3, 4）。

 

 

通過PCR克隆/測序驗(yàn)證未分類OTUs（表A3）。

 

4.統(tǒng)計(jì)與功能預(yù)測：

 

使用ANOSIM、AMOVA分析群落差異（表2）。

 

基于相似性推斷微生物功能（表A2）。

 

 

4. 關(guān)鍵數(shù)據(jù)及其意義

（1）Unisense微電極氧剖面數(shù)據(jù)（圖2）

 

數(shù)據(jù)：在340-345 mm穿透路徑中，氧濃度在納米尺度內(nèi)從400%大氣濃度驟降至接近缺氧（<1 μM），無固定波動模式。

 

意義：

 

首次揭示真菌子實(shí)體內(nèi)存在超短距離氧化還原劇變，為硫循環(huán)（氧化態(tài)SO?2??還原態(tài)S2?）和烴類代謝提供微生境分區(qū)。

 

解釋微生物組中好氧菌（如Burkholderia）與厭氧菌共存的機(jī)制。

 

（2）元素與代謝物數(shù)據(jù)

 

ICP-MS（表1）：子實(shí)體顯著富集Cu, Mn, Ni, Zn（p<0.0001），暗示微生物耐受重金屬的潛能。

 

GC-MS（附表A1）：檢測到醇類、芳香烴、脂肪酸等，提供微生物降解復(fù)雜烴類的碳源證據(jù)。

 

FTIR（圖A1）：內(nèi)含物為硫包裹二氧化硅，可能與微生物硫代謝相關(guān)。

 

（3）微生物組多樣性數(shù)據(jù)

 

 

Alpha多樣性（圖A3）：子實(shí)體的Shannon指數(shù)顯著高于土壤（p<0.01），證實(shí)"生物多樣性島嶼"假說。

 

門級差異（圖4）：

 

子實(shí)體富集Proteobacteria（Burkholderia為主）、Gemmatimonadetes等（p<0.05）。

 

土壤富集放線菌門（Mycobacterium為主）。

 

新門級類群（表A3）：兩個(gè)OTUs（KU527064.1/KU527065.1和KT599128.1）與候選門輻射群（CPR）相似度僅82-84%，暗示新門級分類。

 

5. 丹麥Unisense電極數(shù)據(jù)的專項(xiàng)解讀

（1）技術(shù)突破性

 

 

毫米級分辨率：傳統(tǒng)土壤氧測量無法捕捉納米-毫米尺度梯度。Unisense微電極（OX-500, 500μm尖端）以0.02s/點(diǎn)頻率連續(xù)監(jiān)測，首次繪制真菌內(nèi)部的三維氧微環(huán)境（圖2）。

 

原位真實(shí)性：探頭直接插入子實(shí)體（避免離體失真），校準(zhǔn)采用CAL300腔室（大氣氧）和抗壞血酸鈉（缺氧參照）。

 

（2）科學(xué)意義

 

1.解釋微生物共生機(jī)制：

 

劇烈氧梯度支持硫循環(huán)分區(qū)：好氧層（硫氧化菌）? 缺氧層（硫酸鹽還原菌）。

 

為烴類降解（GC-MS檢測的芳香烴）提供電子受體動態(tài)供應(yīng)。

2.揭示藻類共生線索：

 

檢測到綠藻Koliella的葉綠體序列（附錄2B），其光合作用可能是局部高氧源（呼應(yīng)400%氧濃度峰值）。

3.重塑極端環(huán)境微生物生存策略認(rèn)知：

 

證明封閉子實(shí)體通過物理分隔（硬質(zhì)包被）創(chuàng)造多功能微生境，挑戰(zhàn)"熱土壤沙漠無生命分區(qū)"的傳統(tǒng)觀點(diǎn)。

 

6. 研究結(jié)論

 

1.獨(dú)特微生態(tài)系統(tǒng)：P. arhizus子實(shí)體是酸性熱土壤中的"生物多樣性島嶼"，微生物豐富度顯著高于土壤。

2.核心功能類群：

 

Burkholderia：可能提供固氮、烴降解功能（替代缺失的植物共生）。

 

綠藻共生：潛在產(chǎn)氧源（解釋局部高氧）。

3.門級新類群：發(fā)現(xiàn)兩個(gè)可能代表CPR超門新門的微生物譜系。

4.環(huán)境工程價(jià)值：子實(shí)體模型為地外生命封閉生態(tài)系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供參考（NASA-Exobiology資助背景）。

 

Unisense電極數(shù)據(jù)的跨學(xué)科意義

 

該技術(shù)不僅驗(yàn)證了真菌內(nèi)部的氧化還原異質(zhì)性，更開創(chuàng)了多尺度環(huán)境微生物研究新范式：

 

 

微生物生態(tài)學(xué)：闡明極端環(huán)境下微生物分區(qū)協(xié)作策略。

 

地外生物學(xué)：為封閉系統(tǒng)（如太空艙）生命支持設(shè)計(jì)提供理論模型。

 

生物技術(shù)：啟示利用氧梯度優(yōu)化生物反應(yīng)器中的硫/烴代謝過程。