ITS扩增子测序揭示重金属污染梯度下土壤真菌群落的生物地理分布、群落组装机制与功能适应性变化。

土壤重金属污染对陆地生态系统健康构成持续威胁，然而跨区域尺度上重金属复合污染如何影响土壤真菌群落的结构与功能，长期以来缺乏系统性认知。

大连理工大学与中国科学院沈阳应用生态研究所联合在Journal of Hazardous Materials（IF=11.3）发表题为“Metal pollution-induced alterations in soil fungal community structure and functional adaptations across regional”的研究论文。

该研究在中国南方六省（纬度22.9°N–29.66°N，经度104.53°E–114.31°E）开展大规模土壤调查，覆盖七种重金属（Cu、Pb、Cd、As、Ni、Zn、Cr），系统揭示了重金属污染梯度下土壤真菌群落的生物地理分布格局、群落组装机制与功能适应性变化。

尤为值得关注的是，研究发现均质性选择（homogeneous selection）是真菌群落组装的主导过程（贡献率 55.8–64.9%），Cd和Pb分别驱动群落结构与均匀度的改变；重金属污染诱导的栖息地异质性增强了真菌共生网络的复杂性与稳定性（高污染土壤中协同交互作用增加 10.0%），同时潜在病原真菌丰度上升3.0–5.8%，为重金属污染土壤的生态风险评估提供了新的理论依据。

太阳集团tyc138为该研究提供了ITS扩增子测序及分析服务。

研究思路

实验设计

• 研究区域：中国南方六省（涵盖矿山、工厂、居民区、农田等多种土地利用类型）
• 样品数量：106份表层土壤（0–15 cm）
• 评估方法：采用内梅罗综合污染指数（PnPn）评估七种重金属（Cu、Pb、Cd、As、Ni、Zn、Cr）污染水平

分组设置

• 低污染组（LC）：Pn≤3Pn≤3，n = 20
• 中污染组（MC）：3
• 高污染组（HC）：Pn>10Pn>10，n = 50
• 2022–2024 年采样

技术手段

• 土壤理化与重金属分析：

pH、含水量、总氮（TN）、总磷（TP）、土壤有机碳（SOC）

七种重金属全量及 BCR 连续提取法（F1–F4 形态）

• 真菌群落分析：

测序手段：ITS 扩增子测序（Illumina PE250，引物 ITS3F/ITS4R）

分析内容：α多样性（Shannon、Pielou、Chao1）、β多样性（PCoA、PERMANOVA）、群落组成、LEfSe 差异物种筛选

分析内容

α多样性（Shannon、Pielou、Chao1）、β多样性（PCoA、PERMANOVA）、群落组成、LEfSe 差异物种筛选

群落生态学分析：

群落组装机制：βNTI + Raup-Crick 指数（零模型，划分 5 类过程）

共现网络分析：Spearman 相关（|r| > 0.6，P < 0.05），Gephi 可视化

距离衰减关系：地理距离与群落/环境因子差异的关系

功能预测：

FUNGuild：真菌营养型（pathotroph, saprotroph, symbiotroph 等）

FungalTraits v1.2：菌物生活史类型（植物病原菌、木材腐生菌、动物寄生菌等）

环境关联分析：

Mantel 检验、随机森林（评估各环境因子对群落结构和多样性的重要性）

主要研究结果

重金属污染特征

• Cd 污染最严重：78% 样品单因子指数 Pi>3Pi>3，最高超标 23,482 倍
• As 次之：50% 样品 Pi>1Pi>1
• Pb、Cu超标样品各占 22%
• Cr、Ni 污染相对较轻
• 高污染组（HC）中值 PnPn 是低污染组（LC）的 18.1 倍

真菌多样性与群落结构响应

• 多样性下降：Shannon指数和Pielou均匀度随污染程度增加而降低
• 关键物种丰度显著减少：Staphylococcus*减少0.45%；Saitozyma减少 1.5%
• 优势门：子囊菌门（Ascomycota）在各污染组中均占 84% 以上，显示强耐受性
• 群落结构差异显著（PERMANOVA，P<0.001），且受污染源、土地利用类型、省份、采样年显著影响

距离衰减与地理格局

• Pielou均匀度的差异随地理距离增加而显著增大（P<0.001）
• 土壤 TN、含水量、Mn、Cr、Ni、Ca、Cu 含量也呈现显著的距离衰减关系

群落组装机制

• 均质性选择（homogeneous selection）在所有污染梯度中均为主导过程，贡献率 55.8%–64.9%
• 随着污染加重，确定性过程贡献增加（LC: 55.8% → MC: 64.9% → HC: 58.9%）
• 生态位宽度随污染升高而显著增加（P < 0.001）
• 特化种（specialist）比例随污染升高而增加，广布种（generalist）比例下降

特征物种

Aspergillus（曲霉属）在所有污染水平中均为重要物种，具有广谱重金属耐受性。

共现网络分析

• 高污染土壤中协同交互作用比例比低、中污染增加10.0%
• 网络模块数减少，模块化更集中，节点数减少但连接更紧密
• 平均度变化（AVD）在高污染中显著降低（P<0.05），表明网络更稳定
• 生态解释：真菌通过强化种间合作、减少模块分割来应对重金属胁迫

功能类群响应

• 腐生营养型（saprotroph） 在高污染土壤中相对丰度下降
• 多营养型（polytrophic） 比例升高，真菌趋向多功能代谢适应
• 潜在病原真菌（plant pathogens, animal parasites）丰度高污染组比低、中污染组增加3.0–5.8%
• 例如：Monoblepharomycota与 Cu、Ni、Pb、Cd、As、Cr 显著正相关
• 生态风险提示：重金属污染可能通过直接毒性和间接生境改变，富集病原真菌，威胁植物、动物及人类健康

研究总结

• Cd 是最主要污染物，As 次之；复合污染显著改变真菌群落结构；
• Cd 驱动群落结构变化，Pb 驱动均匀度变化；
• 真菌多样性和均匀度随污染增加而下降，关键腐生菌类（Saitozyma 等）减少；
• 均质性选择主导群落组装，确定性过程贡献随污染升高而增强；
• 高污染土壤中真菌协同交互作用增加 10.0%，网络更复杂稳定；
• 特征物种在各污染梯度中差异明显，Eurotomyces（低）、Sordariales（中）、Coniochaeta（高）为代表；
• 潜在病原真菌丰度上升 3.0–5.8%，需警惕重金属污染区的土壤健康次生风险；
• 区域尺度与梯度设计是该研究的突出亮点，为理解重金属污染的生物地理学效应提供了范式参考；
• 未来可利用高污染环境中富集的耐受菌株（如Exophiala、Aspergillus）开发生物修复技术。

三代全长扩增子技术优势？

• 分辨率拉满：覆盖全部9个V区，16S全长1.5–2 kb，ITS最长达4.5kb，种水平注释率60%–70%，远超二代10%–20%；
• 无拼接、无嵌合体、无分类偏差：真实还原群落结构，低丰度/极端环境菌群也不遗漏；
• 超高准确率：PacBio HiFi测序精度99.9%+，数据稳定可重复；
• 适配全场景：土壤、水体、饮用水、肠道、极端环境、低生物量样本全覆盖。

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