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本文通过系统实验，揭示了植物宿主系统发育和生活史性状在塑造关键共生体系——丛枝菌根（AM）真菌群落及其功能反馈中的相对作用。研究发现，宿主系统发育可预测真菌群落组成，但正向的菌根反馈主要由宿主生活史驱动，且关键在于AM真菌种内遗传变异，而非物种组成变化。这为理解共生系统稳定性、生态系统演替及生态恢复提供了新视角。
引言
共生关系对宿主表型具有深远影响。丛枝菌根（Arbuscular Mycorrhizal, AM）真菌作为最古老且影响广泛的植物共生体之一，与约80%的陆地植物物种形成共生，协助宿主获取土壤养分（如磷），并对植物群落动态产生重要影响。理解共生效益随时间强化或减弱的背景依赖性，对预测共生稳定性至关重要。宿主系统发育关系和生活史性状被认为是构建共生关系的两个潜在轴心，但它们对共生体组成的相对影响，以及共生体组成的变化是否能转化为更强的互惠效益，此前尚不明确。
实验设计概览
为评估植物宿主身份、系统发育和生活史如何影响AM真菌组成及由此产生的反馈，本研究在高草草原系统中展开。研究人员构建了一个由7个源自高草草原的AM真菌分离株组成的合成真菌群落（菌群），并在两个生长季中，让该菌群与38种草原植物物种共同生长。所有植物在统一的温室环境中培养，以消除潜在的环境混杂效应。通过使用核糖体大亚基（rDNA）扩增子测序，监测了两个生长季后AM真菌群落的变化。由于AM真菌的rDNA即使在单个细胞内也具有高度多态性，研究将扩增子序列变体（Amplicon Sequence Variants, ASVs）按物种分组，以便分别评估AM真菌物种组成的变化和单个AM真菌物种内部遗传组成的变化。
研究采用两种互补的方法检验植物系统发育和生活史对AM真菌组成的一致性影响：置换多变量方差分析（Permutational Multivariate Analysis of Variance, PerMANOVA）和系统发育广义线性混合模型（Phylogenetic Generalized Mixed Models, PGLMMs）。前者控制了个体样本中扩增子的非独立性，后者则明确检验宿主系统发育的影响并同时控制系统发育的非独立性。
在功能评估方面，研究采用了两种途径：首先，基于先前对这些AM真菌分离株的表征研究，通过荟萃分析（meta-analysis）检验AM真菌在宿主中的适合度响应与其对宿主生长影响之间的相关性。其次，通过反馈实验直接测试宿主特异性分化的AM菌群的功能后果，即让不同植物物种在完全因子组合下与已分化的菌群共同生长，并计算成对反馈的相互作用系数。
结果
1. 宿主系统发育对AM真菌群落的影响
研究发现，植物系统发育和生活史对AM真菌群落的物种及遗传组成具有显著影响。将ASV计数按AM真菌物种分组后分析发现，宿主系统发育显著影响了AM真菌的多样性和密度（第一年：p < 0.05, p < 0.001），以及Cetraspora pellucida（第一年，p < 0.05）、Racocetra fulgida（第二年，p < 0.001）和Entrophospora infrequens（两年均p < 0.001, p < 0.05）的相对比例。这表明系统发育上接近的植物物种具有更相似的AM真菌组成，反映了宿主对AM真菌相对适合度更相似的影响，结果符合“系统共生”模式。
2. 宿主系统发育对AM真菌物种遗传组成的影响
研究还检验了宿主系统发育对单个AM真菌物种遗传组成的影响。对多个AM真菌物种的ASV分析表明，宿主植物系统发育亲缘关系导致了显著的遗传组成差异。例如，最丰富的E. infrequensASV在两年中都受到植物系统发育的显著影响（p < 0.001, p < 0.05）。Claroideoglomus lamellosum、Funneliformis mosseae、Claroideoglomus claroideum、Ce. pellucida和R. fulgida等物种的部分ASV也在至少一年中显示出受系统发育影响的迹象。这些结果表明，宿主植物的亲缘关系对大多数AM真菌物种的遗传组成产生了可测量的影响。
3. 植物生活史对AM真菌群落及其遗传组成的影响
植物生活史（以早生和晚生演替阶段类别表示）同样显著影响了AM真菌组成。PGLMM分析显示，在与晚生演替植物物种关联时，F. mosseae、R. fulgida和Cl. claroideum的相对丰度在第二年边际或显著更高。晚生演替植物物种的AM真菌群落多样性也高于早生演替物种（香农指数，第二年p ≤ 0.05）。
在遗传组成层面，宿主植物生活史显著影响了多个AM真菌物种的遗传组成。例如，Cl. lamellosum、F. mosseae和Ce. pellucida的特定ASV丰度在第一年均受生活史影响，而F. mosseae和Ce. pellucida的其他ASV在第二年也显示出显著影响。
4. 宿主与共生体相对适合度的相关性
通过对本实验所用AM真菌分离株的先前研究进行荟萃分析，研究人员检验了AM真菌对不同植物家族（如菊科、豆科、百合类、禾本科）生长促进作用的差异。分析发现AM真菌物种对不同家族植物的生长影响存在差异。AM真菌的生长响应与它们对这些植物家族的益处之间存在微弱的正相关关系，这为菌根正反馈提供了有限证据，特别是在菊科与禾本科植物的比较中。然而，这些相关性均未达到统计显著性。
在生活史层面，分析发现AM真菌分离株对早生与晚生演替植物的生长促进作用存在差异。有趣的是，AM真菌的生长响应与其对宿主植物的益处之间存在负相关关系：对晚生植物宿主生长促进最有效的AM真菌物种（如E. infrequens和Cl. lamellosum），在本实验中于晚生宿主上的生长速率却最低。这种模式与AM真菌组成变化在不同生活史策略植物间产生负反馈的观点一致。
5. AM真菌反馈的直接测试与模式
对植物物种对之间AM真菌反馈的直接测试表明，反馈强度从显著正到显著负均有分布。总体而言，AM真菌反馈的中位数和均值均为正，表明菌根反馈普遍是积极的。然而，反馈强度与植物系统发育距离之间没有关系。拟合最佳的是一个边际显著的二次关系，表明亲缘关系最近和最远的物种对倾向于呈现零或负反馈。总之，观察到的植物系统发育对AM真菌群落组成的影响并未持续转化为宿主适合度的改善。
当比较植物生活史类别内和类别间的反馈时，早生演替物种对之间的反馈倾向于为正，而早生与晚生演替植物物种之间的反馈中位数和均值均显著为正。当成对双方均为晚生演替物种时，反馈与零无显著差异。这表明，由植物生活史驱动的反馈具有一致的模式。
6. AM真菌反馈的驱动因素：群落变化与遗传变化
研究进一步探讨是AM真菌物种组成的变化，还是物种内遗传组成的变化驱动了菌根反馈。结果表明，AM真菌物种组成的变化（以植物物种对之间的相异度表示）未能预测反馈强度。然而，单个AM真菌物种遗传组成的变化确实预测了菌根反馈。具体而言，正反馈的强度显著地由两个最常见AM真菌物种的遗传相异度所预测：E. infrequens和Cl. lamellosum。其他AM真菌物种的遗传相异度则不能预测成对反馈。
讨论
本研究通过对38种植物物种的测试，为植物系统发育和生活史对AM真菌组成及共生功能的影响提供了强有力的证据。研究发现强烈的系统共生信号，但由系统发育结构化的共生体分化和遗传组成变化并未持续改变共生体对宿主的影响。相比之下，由植物生活史性状引起的共生体组成变化，则一致地产生了对植物适合度的强化性正反馈。正反馈在早生与晚生演替植物物种之间尤为明显，这可能对演替过程中的物种更替起到重要作用。
一个关键的发现是，观察到的正反馈主要源于AM真菌物种内部的遗传变化，而非物种相对丰度的变化。这与先前关于AM真菌种内遗传变异可快速变化并改变其对植物适合度影响的研究一致。本工作表明，AM真菌物种内部的快速遗传变化可能产生功能性的后果，其重要性甚至可能超过物种组成变化的影响。这提示，仅基于物种水平的形态特征来理解AM真菌生态学存在局限。
研究发现，生态（AM真菌物种相对丰度变化）和进化（AM真菌物种内遗传组成变化）动态在植物-AM真菌共生体中同时运作。AM真菌组成的变化普遍改善了宿主适合度，这与植物和真菌的协同适应一致。然而，菌根反馈的强度存在很大变异，植物生活史差异预测了更强的正反馈，而植物系统发育差异则未预测。鉴于AM真菌多样性和组成对植物群落及陆地生态系统功能至关重要，本研究认为，为了更好地管理陆地生态系统并预测其对人为干扰的响应，必须同时提高对AM真菌生态和进化动态的理解。
材料与方法
实验使用了一个由7个培养自高草草原的AM真菌分离株组成的共同群落。这些分离株被接种到灭菌的沙土混合物的中胚层培养盆中，并与38种草原植物物种中的一种共同种植。允许AM真菌群落在两个生长季（2017和2018年）响应宿主物种而分化，并在每个生长季后取样测定其组成。在第三年，进行了温室反馈实验，用经过特定植物物种“驯化”的土壤群落作为接种物，接种给实验中的所有38种植物物种。根据植物生物量数据计算反馈相互作用系数。
分子分析方面，使用Illumina MiSeq测序测定AM真菌组成。生物信息学分析采用Dada2和Qiime 2流程。通过构建所有研究植物的系统发育树来确定系统发育距离。统计分析包括PerMANOVA、PGLMM以及针对反馈相互作用系数的回归分析。
