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. 論文摘要核心內容

 

研究揭示了極端嗜熱擔子菌Pisolithus arhizus子實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體，內部積累硫元素和金屬顆粒，創造了獨特的"生物多樣性島嶼"。通過高通量DNA測序和生物地球化學分析發現：

 

子實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體內存在毫米級的劇烈氧濃度梯度（4倍大氣氧?近缺氧區）（圖2）。

 

發現兩個潛在新細菌門級分類群（候選門輻射群CPR）。

 

2. 研究目的

 

驗證三個核心假設：

 

1.子實體微生物組是否顯著區別于周圍土壤群落。

2.微生物組是否以化能合成細菌為主（支撐真菌在無宿主環境生存）。

3.是否包含未描述的門級微生物新類群。

 

3. 研究思路

 

1.采樣與預處理：

 

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

 

通過ITS-RFLP確保子實體為單一物種。

2.生物地球化學分析：

 

元素組成：ICP-MS分析子實體與土壤的金屬含量（表1）。

 

代謝物：GC-MS檢測子實體內部烴類化合物（附表A1）。

 

 

氧梯度：Unisense微電極原位測量子實體內氧濃度剖面（圖2）。

 

內含物：FTIR鑒定子實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）比較子實體與土壤微生物群落（圖3, 4）。

 

 

通過PCR克隆/測序驗證未分類OTUs（表A3）。

 

4.統計與功能預測：

 

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. 關鍵數據及其意義

（1）Unisense微電極氧剖面數據（圖2）

 

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

 

意義：

 

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

 

解釋微生物組中好氧菌（如Burkholderia）與厭氧菌共存的機制。

 

（2）元素與代謝物數據

 

ICP-MS（表1）：子實體顯著富集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，提供微生物降解復雜烴類的碳源證據。

 

FTIR（圖A1）：內含物為硫包裹二氧化硅，可能與微生物硫代謝相關。

 

（3）微生物組多樣性數據

 

 

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

 

門級差異（圖4）：

 

子實體富集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電極數據的專項解讀

（1）技術突破性

 

 

毫米級分辨率：傳統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/點頻率連續監測，首次繪制真菌內部的三維氧微環境（圖2）。

 

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

 

（2）科學意義

 

1.解釋微生物共生機制：

 

劇烈氧梯度支持硫循環分區：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）提供電子受體動態供應。

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400%氧濃度峰值）。

3.重塑極端環境微生物生存策略認知：

 

證明封閉子實體通過物理分隔（硬質包被）創造多功能微生境，挑戰"熱土壤沙漠無生命分區"的傳統觀點。

 

6. 研究結論

 

1.獨特微生態系統：P. arhizus子實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：潛在產氧源（解釋局部高氧）。

3.門級新類群：發現兩個可能代表CPR超門新門的微生物譜系。

4.環境工程價值：子實體模型為地外生命封閉生態系統設計提供參考（NASA-Exobiology資助背景）。

 

Unisense電極數據的跨學科意義

 

該技術不僅驗證了真菌內部的氧化還原異質性，更開創了多尺度環境微生物研究新范式：

 

 

微生物生態學：闡明極端環境下微生物分區協作策略。

 

地外生物學：為封閉系統（如太空艙）生命支持設計提供理論模型。

 

生物技術：啟示利用氧梯度優化生物反應器中的硫/烴代謝過程。