1摘要
细菌和真菌在决定环境和宿主功能方面至关重要。尽管动物、植物、它们相关的微生物群和它们所居住的环境之间有着密切的相互作用，但细菌，尤其是真菌在宿主和环境中的分布和作用，以及它们群落组成的跨生境决定因素仍然很少被研究。利用由13，个宏基因组组成的独特的全球数据集，我们分析了25个与宿主相关的环境生境的微生物组结构和功能，重点是细菌和真菌之间的潜在相互作用。我们发现细菌与真菌的宏基因组相对丰度比是栖息地的一个独特的微生物特征。与真菌相比，细菌的跨生境分布格局更受生境类型的驱动。与环境中的真菌相比，宿主相关群落中的真菌多样性减少，尤其是陆地生境，而细菌的这种多样性模式不太明显。细菌或真菌的相对基因功能潜力反映了它们的多样性模式，取决于底物可用性和生物相互作用之间的平衡。除了帮助确定微生物多样性的热点和来源，我们的研究还为不同生境中细菌和真菌群落的组装模式和过程的差异提供了支持。
2研究背景
细菌和真菌对全球生物多样性和生物量做出了重大贡献，对全球生态系统和宿主健康和功能至关重要。细菌为宿主提供维生素和辅因子，充当促进植物生长的根际细菌，帮助消化其他不可消化的纤维，并有助于免疫。虽然一些真菌被认为是重要的植物共生体或包含一些最有益的互利共生者和有害病原体，但真菌在非植物宿主中的作用尚不清楚。在环境生境中，细菌和真菌都驱动有机物质的分解和养分循环。鉴于宿主存在于外部环境中，与内部宿主生境相比，外部宿主生境在规模、非生物异质性和碳资源方面要复杂得多。因此，环境微生物群(以及在较小程度上外部宿主微生物群)可能会更多地接触不同生物/基因的迁移，导致与内部宿主生境相比，更多样的生态位适合于建立更多样的生物。不同的非生物因素，如酸碱度、气候和有机物含量，决定了细菌和真菌的环境群落组成。越来越多的证据暗示了细菌和真菌的生态位专业化，这反映在它们的全球分布模式中，建议对比机制的基础上的群落组装过程。与此同时，在利用资源方面，细菌和真菌之间似乎存在显著的功能重叠，这暗示了细菌-真菌相互作用的重要性。然而，迄今为止，还没有一种在广泛的宿主和环境生境中同时合成细菌和真菌群落模式的方法。
我们对细菌和真菌群落的全球模式有了深刻的理解，但大多数研究倾向于孤立地检查细菌或真菌群落，往往没有确定它们的相关功能。鉴于微生物基因和分类群似乎在不同的宿主和环境生境中进行交换，随机过程(地理邻近性、随机扩散)或确定性过程(环境条件的相似性或生物相互作用)是否决定生境中的微生物群落结构仍然是一个悬而未决的问题。除其他非生物因素外，微生物群落的组成似乎取决于给定生境中主要的有机碳来源(C)。一般来说，人们认为真菌在利用更复杂和更多样的碳源方面往往比细菌更胜一筹，而在陆地生境中，细菌在更不稳定的碳源方面往往比真菌更胜一筹。这可能是由生理差异促成的，包括细菌和真菌之间的化学计量、碳利用效率、酶的能力和应激耐受机制的差异。然而，细菌在分解更顽固的碳形式中的作用和真菌在利用更不稳定的碳中的作用可能被低估，真菌和细菌在总的碳分解模式中可能同等重要。
越来越多的证据表明，微生物对生态系统过程以及宿主健康的控制可能是由细菌和真菌之间的生物相互作用介导的。这些相互作用跨越了一个拮抗-互利共生的范围，以直接捕食和寄生，范围从自由生活的相互作用到混合生物膜，以及细菌在脊椎内的定殖。总的来说，这些对细菌和真菌的特定特性及其相互作用的日益深入的见解表明，栖息地类型可能具有不同的细菌-真菌(B/F)比率，并且在任何方向上对B/F平衡的改变都可能对生态系统和宿主功能产生影响，例如在C分解和宿主健康方面。
在这里，通过利用13，个宏基因组样本的全球数据集，我们分别基于分类上稳定的rRNA基因和同源群(OGs)的相对丰度，检查了真菌和细菌群落的结构和功能。宏基因组学方法使我们能够同时比较真菌和细菌的组成，并相互关联。这可能比16S或ITS扩增子测序更有优势，后者只能扩增细菌和真菌，使它们之间的相对比较充满偏差。我们选择的公开样本包括25种栖息地类型，涵盖内部和外部宿主(包括不同动物物种的皮肤、口腔和胃肠道)和环境(包括土壤、水和建筑)栖息地。这些栖息地在环境变化、规模、生物相互作用和扩散过程方面有所不同。
我们假设:1)与内部宿主微生物群相比，环境和外部宿主中的细菌和真菌分类群及其相关功能具有更大的多样性(香农多样性指数)和相对丰度，在内部宿主微生物群中，微生物及其功能可能更专业化。2)某些宿主相关微生物可能是环境微生物群元群落的子集，即显示嵌套的群落结构。更具体地说，由于更多地暴露于环境微生物，与内部宿主栖息地相比，外部宿主栖息地更有可能容纳来自环境的微生物子集。3)与真菌相比，细菌表现出更强的生境关联性，这是因为在细菌群落的形成过程中，确定性过程比随机过程具有更大的影响。4)在具有更复杂的植物来源的碳资源(即土壤)的环境中，细菌与真菌的相对丰度和多样性比率降低，这是由于真菌对植物及其相关资源具有更大的亲和力。
图1不同生境中细菌和真菌种类的相对丰度和多样性。A和B细菌/真菌rRNA和CAZyme基因比例；C和D细菌和真菌rRNA基因多样性。
3主要结果
在所有样本中，细菌的数量大大超过真菌，在所有生境中，细菌的数量平均高出倍(图1)。细菌和真菌，但更重要的是真菌，在陆地生境中，特别是在土壤和根际比在海洋生境中表现出更高的多样性(图1）。总的来说，部分证实了我们的第一个假设，内部宿主相关微生物群的多样性低于大多数外部宿主相关和环境微生物群(图1C，D)，证实了最近全球细菌代谢分析的发现。此外，根据我们的第一个假设，在宿主栖息地中，真菌显示出最大的相对丰度和多样性，在那些与外界直接接触的地方(图1)。
这种生境可能受到外部环境因素的更大影响，并与其他生境相连，导致真菌分类群的更高交换。这些影响对细菌来说不太明显，可能是因为它们在栖息地的扩散潜力更大。此外，在可能具有较高养分利用率和较低碳/养分比的生境中，B/F比较大，这可能反映了在养分和可溶性碳丰富的环境中，细菌比真菌具有更大的代谢灵活性、线索和竞争能力
图2Habitatassociationoffungiandbacteria
例如，我们发现真菌和胃肠道(gi)群落中的食草动物生活方式之间有很强的联系:与杂食动物(猪和人类GI，平均B/F=)相比，植物饲养的小鼠GI和牛瘤胃真菌相对丰度(平均B/F=)平均高2倍，与食肉动物(猫和狗GI，平均B/F=)相比高6倍。尽管真菌的丰度比细菌低几个数量级(图1)，但真菌在空间和时间异质性条件下、主要是空气传播机制和菌丝产生的条件下可能具有不成比例的旺盛生长能力。
这些数据表明，真菌的相对丰度和多样性在陆地和水生生境中分别较高，而细菌在营养生境中表现出最高的相对丰度，可能是因为有更多的可用于生长的营养资源。蓝线指定所有栖息地的中间值。多样性是基于香农指数使用属级丰度矩阵计算的，而生物多样性/生物多样性比是基于细菌和真菌的SSU读数的丰度计算的。
图3在不同的生境中，细菌比真菌表现出更强的生境关联性。热图显示了与栖息地类型最密切相关的前20种最丰富的细菌和真菌的栖息地和地理关联。
4讨论
为了确定相似的生境在条件和连通性方面是否塑造了微生物群落，并检验我们关于细菌是否比真菌具有更大的生境关联性的假设，以及探索不同生境分组的多样性模式，我们根据细菌群落的组成对生境进行了分层聚类。结果揭示了三个主要的微生物群落群(c.f.habitatclusters,HC;；图2)，主要由环境生境(HC1)、宿主相关外部生境(HC2)和宿主相关内部生境(HC3)组成。HC1包括相对更多样的细菌群落，以及α、β和δ变形菌(图2)。HC2增加了放线菌和丙种球蛋白细菌，而HC3主要是梭菌和拟杆菌(图2)。
我们的第二个假设得到了支持，即宿主相关微生物群落是环境栖息地微生物群落的一个子集。值得注意的是，肠道中存在的优势真菌属而非细菌属是外部宿主生境的一个子集，而外部宿主生境又是环境生境的一个子集。此外，根据我们的第三个假设，细菌显示与真菌相比，更强的生境联系和独特的群落(图2、3)，可能是因为它们更强的环境联系、相对更长的进化史和/或更大的基因组可塑性。通过分析特定生境的属进一步证实了这一点，这表明个真菌属(占所有真菌属的7.5%)与特定生境显著相关，而在1，个细菌属的情况下，这一比例为36.3%。然而，与真菌相比，指示细菌属的比例在不同生境之间的差异较小，但在环境生境中的差异较大(图4)。
图4各种宿主和环境生境中的指示真菌和细菌属。
总的来说，细菌群落的聚集似乎更多地依赖于生境条件，而对于真菌来说，它似乎依赖于生境条件之间的相互作用、邻近环境之间的空间分散和转移，或者这些都不依赖(图2-4)。例如，人类肠道样本中的真菌群落与来自已建栖息地的真菌群落聚集在一起，如来自有牛瘤胃和人类皮肤的乳制品的真菌群落。虽然这并不是真菌在这些生境之间频繁转移的直接证据，我们也无法区分特定生境中的瞬时和非瞬时真菌，但我们的结果表明，生境特异性和空间邻近性的相互作用可能会影响不同生境中的真菌群落组成，正如分散是土壤真菌随机群落组装的主要驱动力，这可能反映了许多真菌依赖于通过孢子的空气传播。
根据我们的第四个假设，真菌在陆地和特别是土壤生境中相对较高的丰度可能与真菌与植物的主要多样化事件密切相关。最多样的真菌谱系与植物及其资源具有共生、致病和腐养相互作用的亲和力。我们认为，这有助于形成稳定和复杂的土壤真菌群落，而随机和扩散相关的过程可能对其他生境的真菌群落产生更大的影响。这一假设进一步得到了以下观察结果的支持，即大多数特定生境的真菌属与土壤有关，包括来自伞菌属的多个指示属(图4)，这一组主要由凋落物分解和植物相关真菌组成，它们在植物宿主的存在下茁壮成长。Archaeorhizomycetes是最近发现的一类真菌，也几乎只在土壤样品中发现。几种子囊菌，如青霉菌和真菌病分别属于土壤和根际生境、已知土壤腐生菌和植物病原体的指示属。因此，真菌可能在土壤中拥有广泛的碳循环酶，这可能是由于植物和植物-真菌共生体提供的不同底物。
因此，与腐生细菌相比，腐生真菌具有更高和更宽的碳/养分化学计量，更高的碳需求，更高的碳/氮资源比的更高的碳利用效率，以及在有氧条件下降解植物源碳的胞外酶特化(Keiblinger等人，；Tedersoo等人，年)。这种与植物的紧密联系可能会使真菌更容易获得土壤中的碳。与此相一致，环境生境，尤其是土壤，相对于细菌而言，真菌中碳水化合物活性酶基因(CAZymes)的相对丰度最高，CAzymes参与复杂碳水化合物的构建和分解(图1)。细菌与真菌之比与真菌同工酶的相对丰度和多样性呈负相关(r=-0.，p10-15，r=-0.，p10-15)，与细菌的相关性较小(r=-0.，p)；r=-0.，p分别10-15)。从特定的酶来看，那些与木质素降解相关的酶显示出与B/FrRNA基因比率最强的相关性。植物和真菌之间更普遍的共生相互作用可能会增强真菌相对于土壤等以植物为主的生境中细菌的适应性。
还有许多其他潜在的因素驱动真菌和细菌之间的相互作用以及——支持或反对——栖息地联系。丝状真菌尤其更适合处理资源不平等的更异质的生境和条件，因为它们能够向营养丰富的斑块扩展和移动，并通过菌丝转移营养。相比之下，细v菌似乎比真菌对酸碱度和养分可用性更敏感。正如HC1栖息地群(图2)所反映的那样，这些是真菌趋向于达到其最大多样性的栖息地，然而细菌也在这里茁壮成长。这些生境中主要形成菌丝的真菌可以充当传播媒介，提供和连接高质量的营养资源，并改变局部的pH值水平，从而提供一种增强细菌活性的机制，这在压力条件下尤其重要。这一点，加上细菌和真菌之间代谢物的不同交换，可能是细菌群落组成和多样性的驱动力。在某些情况下，真菌甚至可能促进某些通常被认为是缓慢的殖民者和贫穷的竞争对手的细菌，使它们在共生中变得局部丰富。虽然真菌也受到这些结合的影响，无论是有益的还是有害的，通过细菌产物，它们与植物和植物来源的碳的结合可能是形成它们群落组成的一个更强的因素，这反映在环境生境，特别是土壤(植物占主导地位的生境)中相对较低的硼氟比和较高的真菌钙酶丰度上(图1)。此类生境更容易暴露于复杂的C型真菌和空气传播的孢子，这将增加此类真菌满足其首选底物的机会。
我们的结果暗示了环境过滤在构建跨生境细菌群落而非真菌群落中的重要作用。细菌和真菌分类群及其相关功能基因的总体多样性和丰度模式反映了它们最大的对比碳获取策略、扩散策略、形态，以及它们随后在高度可变的非生物条件下通过复杂的生物相互作用与彼此和大型生物的共同进化。建议未来的研究同时调查细菌和真菌群落，以及它们的功能特性，因为它们的相互作用和特定领域的特性可能是决定生态系统对环境变化响应的一个强有力的因素。
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