红豆杉又称紫杉，国家一级珍稀保护树种，也是世界上公认的濒临灭绝的第四纪冰川遗留下来的古老树种。在中国，红豆杉一般分布在亚热带或暖温带的阔叶林中，如云南、江西、浙江、福建等省份。红豆杉自然生长在海拔1000～1500米处，生长环境具有喜阴、耐旱、抗寒的特点（图1）。科学家利用红豆杉提取物制成了抗癌药物紫杉醇，是治疗多种癌症的有效药物之一。目前，大量红豆杉内生真菌得到了分离鉴定，已成为医药领域的一个研究热点。然而，红豆杉内生真菌种群和宿主次生代谢之间的相互作用，及其参与环境胁迫响应的分子机制尚且不清楚。
图1 珍稀濒危裸子植物南方红豆杉
近日，国际著名的期刊Microbiome（IF=13.8）在线发表了杭州师范大学生命与环境科学学院王慧中团队沈晨佳课题组题为“Sex-specific responses of Taxus mairei to UV-B radiation involved altering the interactions between the microbiota assembly and host secondary metabolism”
(https://doi.org/10.1186/s40168-024-01882-1)的研究论文。该研究通过整合转录组和ITS测序分析，阐明了UV-B辐射和性别两个要素对红豆杉内生真菌群落组成、丰度和结构的影响（图2）。
图2 论文标题及实验设计
宿主植物红豆杉的性别影响其次级代谢途径，从而为红豆杉植株提供化学物质以产生引诱剂和/或用于过滤微生物类群的抑制剂。真菌生物标志物的分析表明，UV-B辐射降低了这种影响真菌群落的性别差异。α和β多样性分析显示性别和UV-B辐射共同影响真菌群落，且UV-B辐射对真菌群落的影响高于性别。内生真菌分为233属，各组优势属不同。红豆杉真菌群落还受性别显著影响。LEfSe分析确定了雌树和雄树中的真菌生物标记类群，雌树中以Pestalotiopsis、Alternaria、Rhizophydium、Hypocrea、以及Candida为主，雄树中以Herpotrichiellaceae 和Cyphellophora属等为主（图3）。此外，相关性分析和生物标志物筛选预测了三种与红豆杉性别相关的内生菌属，包括Guignardia、链格孢和Glomerella。上述结果为研究工作的进一步开展提供了线索。
图3 UV-B辐射和红豆杉性别影响植株的内生真菌种群的分布及空间结构
为了进一步研究内生真菌参与红豆杉环境胁迫的作用机制，需要筛选得到上述关键真菌。课题组通过多年的材料收集，分离筛选，得到了数百种红豆杉内生真菌。大量的内生真菌为研究的深入开展打下了基础。课题组幸运地得到了目标真菌Guignardia #1，并完成了分离纯化，以研究内生真菌在对UV-B辐射的性别差异响应中的作用。研究表明，Guignardia #1的具有产黑色素的能力，其在UV-B辐射下黑色素含量升高，这可能是由UV-B辐射显著诱导的。黑色素产量的增加提高了Guignardia #1在雌性树木中的存活能力，并通过真菌相互作用显著改变了真菌群落结构。Guignardia #1与链格孢菌#8和#17之间的拮抗关系支持了这一假设。内部化学微环境的变化可能是导致暴露于UV-B辐射的雌性和雄性红豆杉内生真菌分化的主要因素（图4）。
图4 大规模内生真菌筛选及Guignardia #1功能鉴定
进一步分析其分子机制发现，Guignardia #1产生的孢子通过调节APX2、GST7、NCED1、ZE1、CS1和CM1等基因的表达，显著改变了宿主的各种氧化还原系统。这些结果揭示了内生真菌在UV-B辐射的性别介导反应中的作用，并为红豆杉对环境胁迫的性别特异性反应提供了新的见解（图5）。
图5 对UV-B辐射的性介导反应所涉及的调节机制的假设模型
杭州师范大学研究生张洪山为本文第一作者，研究生侯凯琳为本文的并列第一作者。杭州师范大学生命与环境科学学院沈晨佳副教授为本文的通讯作者。杭州师范大学生命与环境科学学院王慧中教授为本研究的顺利开展提供了理论指导和实验保障。全国药用植物及植物药专委会的多位老师为红豆杉研究提供了全方位的帮助。王慧中团队沈晨佳课题组近年来在红豆杉次生代谢调控研究中取得了一系列进展，鉴定了一系列活性成分合成代谢相关的内生真菌，揭示了真菌-宿主植物互作的内在调控机制。上述一系列工作得到了国家自然科学基金（32271905, 32270382），浙江省自然科学基金（LY23C160001, LY18C050005, LY19C150005, LY19C160001）的资助。
