text: 美格基因·项目文章 | 红树林沉积物微生物群落中垂直分层的甲烷、氮和硫循环及耦合机制
  红树林沉积物微生物群落中垂直分层的甲烷、氮和硫循环及耦合机制Vertically stratified methane, nitrogen and sulphur cycling and coupling mechanisms in mangrove sediment microbiomes作者：Lu Qian等期刊：Microbiome时间：2023年04月05日影响因子：16.837组学策略：宏基因组DOI：https://doi.org/10.1186/s40168-023-01501-5摘要背景：红树林生态系统被认为是生物地球化学循环的热点，但微生物驱动的生物地球化学循环沿红树林湿地沉积物深度的多样性、功能和耦合机制仍然难以捉摸。在这里，我们研究了甲烷的垂直剖面（CH4）、氮（N）和硫（S）循环基因、途径及其潜在的偶联机制。结果：我们的结果表明，参与CH4，N和S循环主要由pH和酸性挥发性硫化物（AVS）沿沉积物深度形成，AVS是影响红树林沉积物S氧化和反硝化的关键电子供体。参与S氧化和反硝化的基因家族显著减少（P &lt; 0.05）沿沉积物深度下降，并可能与S驱动的反硝化剂耦合，例如地表沉积物中的伯克霍尔德科和硫磺酸菌。有趣的是，所有S驱动的反硝化物宏基因组组装基因组（MAG）具有硝酸盐、亚硝酸盐、一氧化氮还原酶（Nar/Nir/Nor）但没有一氧化二氮还原酶（Nos）的不完全反硝化剂，表明这些硫化物可利用基团可能是红树林表层沉积物中N2O产生的重要因素。参与甲烷生成和S还原的基因家族随着沉积物深度的增加而显著增加（P&lt;0.05）。基于网络和MAG分析，产硫细菌（SRB）可能通过直接电子转移或零价硫与厌氧CH4氧化剂（ANME）形成共养关系，这将推动产甲烷菌和SRB在中深层沉积物中的共存。结论：除了对微生物驱动的CH4、N和S循环基因/途径的垂直分布提供了一个视角外，本研究还强调了S驱动的反硝化菌在N2O排放中的重要作用，以及ANME和SRB沿红树林沉积物深度的各种可能的耦合机制。对潜在耦合机制的探索为未来合成微生物群落的构建和分析提供了新的见解。这项研究对预测环境和全球变化背景下的生态系统功能也具有重要意义。关键词：微塑料，土壤细菌组，长期影响，功能简介，土壤性质1.红树林沉积物理化性质的垂直变化我们测量了沉积物的pH、温度、盐度、SO42−、AVS、S0、NH4+、NO2−、NO3−、TC、TN和TS，以表征红树林沉积物中环境因素的垂直分布（表1）。结果表明，pH和温度随深度的增加而显著增加（P&lt;0.05；单因素方差分析的多重比较），而盐度、TC、TN、SO42−和AVS则呈现相反的趋势。沉积物中的NH4+浓度（1800–4700μg/L）高于NO3−（88.3–294.9μg/L）或NO2−（58.9–103.9μg/L），最大NH4+浓度出现在5–10 cm的沉积物深度。此外，S0和TS的浓度在垂直剖面中没有变化。2.CH4、N和S循环微生物群的环境驱动因素为了理清红树林沉积物中微生物组功能的潜在环境驱动因素，我们进行了Mantel测试，并估计了理化性质与参与CH4/N/S循环的基因家族丰度之间的最大信息系数（MIC）值。结果表明，pH和AVS是影响CH4、N和S循环微生物群功能多样性和组成的主导因素，其次是SO42−和NO3−（图1A、B）。具体而言，pH与参与CH4、N和S循环的功能基因的相对丰度呈正相关（P＜0.001），并且在红树林沉积物中构建这些代谢途径方面具有高度重要性，解释了81.3%的反硝化基因家族的更替，76.5%的异化硝酸盐还原（DNRA），S还原为57.7%，甲烷生成为69.2%，CH4的好氧氧化为61.5%（图1C）。此外，AVS对反硝化作用和S氧化的影响最大，分别解释了87.5%和95.0%，而硝酸盐对Sox系统和S氧化作用的影响最大，分别解释85.7%和90.0%。总之，研究结果揭示了pH和AVS在驱动微生物介导的CH4、N和S循环过程的深度依赖性变化方面的重要性，其中AVS可能是红树林沉积物中硝酸盐还原的重要电子供体。3.红树林沉积物微生物组沿沉积物深度的宏基因组特征综述为了调查沉积物深度的宏基因组特征，我们基于宏基因组测序数据分析了功能和分类图谱。我们发现了功能和分类多样性沿深度的明显变化趋势。具体而言，微生物群落的整体功能α多样性（基于KO项）随着深度的增加而降低。氮和硫循环群落的功能多样性随着沉积物深度的增加而减少，而CH4循环群落的多样性在深度之间没有显著差异（图2A）。然而，微生物群落以及CH4、N和S循环群落的总体分类α多样性都随着沉积物深度的增加而增加（图2B）。大多数细菌宏基因组读数与变形杆菌属匹配（58.0–68.0%），并且它们的相对丰度沿沉积物深度显著降低（R2=0.63，P&lt;0.001）。古生物宏基因组读数主要分配给Euryarchaeota（0.8-2.3%），其显示出沿沉积物深度显著增加的趋势（R2=0.19，P&lt;0.05）。此外，基于功能和分类剖面的主坐标分析显示，沉积物微生物群落组成和结构随沉积物深度显著变化，表明CH4、N和S循环微生物组对沉积物深度敏感。4.CH4/N/S循环基因/途径和分类群的垂直剖面为了进一步了解CH4、N和S循环微生物群的功能基因和途径的垂直分布，我们分析了微生物群落的功能组成，重点分析了参与CH4、N、S循环的关键功能基因和通路的相对丰度，并且观察到这些代谢模式在不同沉积物深度之间的显著差异。（i）CH4循环。我们预估了与甲烷生成和甲烷氧化相关的功能基因的相对丰度。数据显示，宏基因组读数与中央产甲烷途径匹配的比例很高（21.8-28.6%）。甲基辅酶M还原酶基因（mcrA）的相对丰度随深度增加而增加，而pmoA基因家族的低频率呈相反趋势（图2C）。甲烷生成的主要类群是甲烷菌（氢营养产甲烷菌）、甲烷菌（水营养产甲烷生物）和甲烷菌（乙酰乙酸碎屑产甲烷细菌）。CH4氧化细菌很少获得，似乎主要由甲基微生物、甲基单胞菌和甲基环孢菌组成（图3）.这些结果表明，参与甲烷生成的基因家族分布在深部沉积物中，丰度相对较高，甲烷生成主要由氢营养和乙酰碎屑产甲烷菌进行。（ii）N循环。映射到氮循环的宏基因组读数主要与硝酸盐还原有关，DNRA为15.4–16.5%，反硝化为11.6–14.0%，有机氮降解和合成为64.6–68.0%。首先，参与有机氮分解的基因家族（ureABC和gdh）深度显著减少（P&lt;0.05），这可能在一定程度上解释了表层沉积物中NH4+浓度高的原因。其次，除nosZ外，所有参与反硝化作用的基因家族（narG、nirK、nirS、norB）都具有较高的相对丰度，但沉积物深度呈下降趋势（图2C）。结果表明，在0–15 cm的表层沉积物中，氨化和硝酸盐还原表现出很高的功能潜力，负责硝酸盐还原的分类群（反硝化和DNRA）与S氧化菌和SO42−还原菌有关。（iii）S循环。对于S周期，宏基因组读数在很大程度上被映射到有机S转化（38.8–42.7%）和无机S和有机S之间的转化（15.9–21.4%）。S氧化基因（如fccAB和sqr用于硫化物氧化，soxB用于硫代硫酸盐氧化为硫酸盐）随着深度的增加而显著降低（P&lt;0.05），表明表层沉积物中存在活性S氧化电位（图2C）。这些关键的S氧化基因（soxB、fccB和sqr）主要与贪铜杆菌、慢生根瘤菌属和氢噬菌属有关（图3），指出这些属在红树林沉积物中S氧化中的重要作用。此外，负责多硫化物还原（psrB）和亚硫酸盐还原（asrB）的基因家族的相对丰度沿深度显著增加（P&lt;0.05）（图2C），主要隶属于地杆菌、假单胞菌、链霉菌和脱硫弧菌。此外，用于异化硫酸盐还原的sat和aprAB的相对丰度在0–30 cm深度处增加，然后降低，而dsrAB沿深度没有表现出差异，其隶属于S氧化菌（SOB）（以硫代碱弧菌、硫杆菌、硫杆菌和硫杆菌为主）和硫酸盐还原菌（SRB）（由脱硫弧菌、脱硫杆菌和脱硫球菌为主）（2C）。结果表明，S氧化在表层沉积物（0–15 cm）中具有很高的功能潜力，硫酸盐还原主要发生在30 cm左右。鉴于参与反硝化和S氧化的分类群，值得注意的是，S驱动的反硝化菌，如假单胞菌、贪铜杆菌和硫粉菌，在表层（0–15厘米）红树林沉积物中，可能在耦合这两个过程中发挥重要作用。4.CH4/N/S循环基因/途径和分类群的垂直剖面由于参与CH4、N和S循环的关键基因家族在沉积物深度上表现出明显的变化趋势，这些过程之间存在密切的相关性。例如，与反硝化作用相关的基因家族（narG、nirK、nirS、norB和norC）显著（P&lt;0.05），并与S氧化基因（soxB、sqr和fccA）呈正相关，表明这两个过程之间存在密切关系。此外，mcrABCD基因家族与narG、nirK、nirS、norC、nosZ、asrB基因家族之间存在显著的正相关（P&lt;0.05），表明甲烷生成可能与反硝化和亚硫酸盐还原相结合。为了进一步探索不同深度可能的微生物相互作用和耦合机制，我们使用与CH4、N和S循环中所有重叠群相关的分类图谱构建了共生网络。观察到CH4、N和S循环微生物组网络的不同结构和拓扑特征（图4B）。与表层和深层网络相比，中层网络似乎具有最大的复杂性，具有更多的节点、更多的链路、更高的平均聚类系数、更高节点度和更低的模块性。中层有80.8%的阳性联想和19.2%的阴性联想，表层有76.0%的阳性联想，24.0%的阴性联想；深层有37.5%的阳性联想。结果表明，产甲烷菌在中层可能与SRB发生密切关系，在深层可能与其他产甲烷菌发生密切关系。5.耦合CH4、N和S循环过程的基因组能力通过宏基因组组装和装箱，我们进一步重建了19个古菌宏基因组组装基因组（MAG）和58个细菌MAG。在古菌MAG中，我们检索到5个隶属于甲烷菌科、甲烷菌科和甲烷菌科的MAG，它们主要分布在深层沉积物中。u2002在细菌MAG中，我们检索到9个含有S氧化和反硝化关键基因的S驱动反硝化菌MAG，以及9个具有dsrABD基因或与脱硫菌属相关的推定SRB的MAG。S驱动的反硝化菌MAG在表层和中层沉积物中的相对丰度高于深层沉积物。除N2O外，所有S驱动的反硝化菌MAG都可以使用不同的N物种作为电子受体，这可能导致沉积物中产生N2O。其中，六种MAG含有硫化物：醌氧化还原酶（Sqr），它催化硫化物氧化为元素硫（图5）。作为SRB的代表性基因组，脱硫弧菌科（KO6.bin.24）含有参与SO42-还原的核心酶，包括腺苷酸硫还原酶α亚基（AprA）和除硫酸腺苷酸转移酶（Sat）外的异化硫还原酶α、β和δ亚基（DsrABD）。它还含有电子传递复合物QmoAB和DsrMKJOP，以及硫中继蛋白DsrC。此外，在脱硫菌科基因组中还检测到硫转运蛋白（ThiF）（图6）。本文的宏基因组测序分析揭示了红树林沉积物中垂直分层的CH4、N和S循环微生物群及其耦合机制结果表明，CH4、N和S循环基因、途径沿沉积物深度变化明显，主要由pH和AVS驱动，S循环微生物在S氧化和反硝化、甲烷生成和硫酸盐还原、厌氧甲烷氧化和硫酸盐还原等重要生物地球化学过程的耦合中发挥着关键作用。S氧化与反硝化作用在表层沉积物中占主导地位，而SRB可能通过直接电子转移或零价硫与ANME形成共养关系，并推动中深层沉积物中产甲烷菌与SRB的共存。这些生物地球化学过程的耦合可以确保CH4、N和S循环微生物群的代谢多样性，维持红树林生态系统的功能和服务，如解毒、植物生长的N供应和温室气体排放。这项研究为全面了解红树林生态系统中微生物驱动的CH4、N和S循环基因、途径以及沿沉积物深度的可能耦合机制提供了新的见解。未来的研究需要阐明每种代谢途径中涉及的能量和物质转移的生态和分子机制，以全面描述红树林沉积物中紧密耦合的生物地球化学过程。您可能还喜欢：美格基因 l 微生物多样性相关研究的最新进展20230906美格基因·新品合集｜新学期，新产品，与你迎接新挑战发布于 2023-09-14 14:42・IP 属地广东