【文献速递】青藏高原高寒多年冻土微生物群落结构和代谢的宏基因组研究

文章题目：Metagenomic insights into microbial community structure and metabolism in alpine permafrost on the Tibetan Plateau

文章链接：https://doi.org/10.1038/s41467-024-50276-2

发表时间：2024-07-14

期刊：Nature Communication

影响因子：16.6

研究背景

多年冻土是持续冻结的土壤环境，孕育了独特的微生物群落，对全球碳氮循环及气候变化响应至关重要。以往研究多关注活动层（表层），缺乏大尺度层间差异分析。青藏高原作为中低纬度最大冻土区，其微生物垂直分布特征及代谢潜力尚不明确。本研究旨在揭示青藏高原多年冻土微生物群落结构、组装机制及功能代谢的垂直分异规律。

研究假设

（1）微生物组装机制在土壤层之间有所不同，漂移的贡献减少，但扩散限制的贡献随着土壤深度的增加而增加。

（2）参与替代电子受体相关还原反应的基因相对丰度较高，参与氧化还原反应的分类群随着土壤深度的增加而变得更加多样化。

技术路线

样品采集：沿青藏高原约1000公里的样带，采集22个站点的表层（0–10 cm）、次表层（30–50 cm）和多年冻土层（最上层50 cm）土壤样本。

测序分析：

16S rRNA扩增子测序：分析微生物群落多样性及组成。

宏基因组测序：解析功能基因分布及代谢潜能，构建宏基因组组装基因组（MAGs）。

环境数据：收集气候、植被、土壤理化性质（pH、有机碳、水分等）及人类干扰指数。

统计分析：

计算α/β多样性，分析层间差异。

利用零模型（iCAMP）和Mantel检验探究群落组装机制（选择、扩散限制、漂变等）。

鉴定功能基因差异，评估微生物类群对代谢通路的贡献度（代谢权重评分）。

研究结果

图 1 采样点的分布以及不同土壤层之间微生物多样性和成分的比较

（1）α多样性(包括Shannon、Wiener、Faith指数）随土壤深度的增加而下降，而β多样性（Bray-Curtis距离）增加（图1b-e）。这与第一个假设一致，降低的α多样性可能是由冻土中水的可用性低以及寡营养的环境造成的，而β多样性与α多样性相反，表明多年冻土中发生了分类异质化和系统发育分化。

（2）表层土的微生物以变形菌为主，而放线菌在地下和多年多年冻土层总表现出较高的相对丰度（图1f、g）,这归因于微生物群的内在属性。

图 2 三个土壤层中特异物种的剖面

（3）表层、次表层和永久冻土层中的特种数量分别为181、27和30（图2a）；表层的特种多为α变形菌门、γ变形菌门和放线菌门（图2b）；次表层的细菌门、γ-变形菌门和放线菌门则是特异的（图2c）；属于放线菌门的嗜热菌属是永久冻土层中的特殊物种（图2d）。

图 3 塑造微生物群落结构的环境因素和生态过程

（4）试用Mantel检验将微生物群落结构和环境因子做关联性分析，发现环境因子pH和AI是微生物群落结构的主要预测因子（图3a），其中表层土壤关系最为显著。一般认为，pH和干旱度指数它们通过改变资源的可用性，能源相关过程和对微生物结构施加环境选择能力。

（5）通过零模型分析发现，扩散限制和漂移，主要控制着微生物群落（图3b）；在多年冻土带中，扩散限制的相对贡献高于其他两个土层，而漂移(和其他)的重要性随着土壤深度的增加而显著降低（图3c）。

图 4 青藏高原高山永久冻土中微生物组功能潜力的深度变化

（6）将宏基因组数据在KEGG数据库进行比较与注释，结果显示，功能基因主要参与碳水化合物、氨基酸和能量代谢。功能组成随土壤深度而显著不同，在两个较深的土层中更为相似（图4b），多年冻土层的功能基因组成比其他两层具有更高的空间变异性。

（7）与表层相比，其他两个土层中半纤维素、纤维素和果胶降解相关的基因丰度升高（图4a）；大多数参与发酵过程的基因，在较深的土壤中显示出丰度的增加（图4a）。其他与还原反应相关的基因，也被发现随着土壤深度的增加而增加（图4b-d）。

图 5 宏基因组组装基因组 （MAG） 的系统发育、分类学、代谢途径和基因组大小的概况

（8）将宏基因数据合并到宏基因组组装基因组（MAG）中，总共获得了274个中等质量的MAGs（图5a），大多数基因组被注释为放线菌，酸杆菌或变形菌（图5a）。

（9）大多数基因组具有铁还原能力（图5b），这意味着在微生物厌氧呼吸过程中，铁还原作为终端电子受体，对有机物氧化有很大贡献。氨基酸利用过程在基因组中也普遍存在，表明微生物被迫利用能量较差的底物。其他途径的普遍存在，表明永久冻土生态系统中微生物群的代谢多样性（图5b）。

（10）通过PCoA主坐标分析，三层土壤之间的微生物群落存在明显的分离，多年冻土层的微生物群落与次表层的微生物群落更为相似（图5c），此外，土壤剖面的平均基因组大小减小（图5d），表明居住在永久冻土环境中的微生物具有相对紧凑和简化的基因组。微生物可能采用基因组减少策略，旨在减轻DNA复制所需的代谢消耗，增强其面对营养匮乏的永久冻土沉积物环境的适应性。

图 6 青藏高原代谢权重评分 （MW-score） 和微生物群对基因组评分的百分比贡献

（11）进一步评估代谢途径的重要性和每个微生物分类群在群落水平上的功能能力，计算了每个功能途径的社区水平代谢重量评分（MW评分），以及每个微生物门对这些评分的贡献百分比。结果表明，异养途径和自养过程对微生物群落水平的代谢特征表现出重要贡献（图6a）。

（12）与表层观测相比，我们发现不仅放线菌门，而且更多样化的分类群，在底土和永久冻土中占据了与氧化还原反应相关的重要功能部分（图6b）。

研究结论

青藏高原冻土微生物群落垂直分异显著，扩散限制和漂变是主要组装机制，冻土层微生物受地理隔离影响更大。

深层土壤微生物通过富集还原代谢基因适应缺氧环境，放线菌等类群在碳氮硫循环中起核心作用。

冻土融化可能改变微生物代谢路径，影响温室气体排放。研究强调了微生物层间差异在气候模型中的重要性，为预测冻土碳反馈提供依据。

意义：首次系统揭示高山冻土微生物的垂直分布规律及代谢适应策略，为理解冻土生态系统功能及气候变化响应机制提供关键数据支撑。

参考文献

Kang, L., Song, Y., Mackelprang, R. et al. Metagenomic insights into microbial community structure and metabolism in alpine permafrost on the Tibetan Plateau. Nat Commun 15, 5920 (2024). https://doi.org/10.1038/s41467-024-50276-2