淡水-河口-海洋梯度下微生物多样性、渗透调节和养分循环
由淡水河流至海洋存在一个明显的梯度，对微生物群落结构和功能有显著影响。近日，Microbiome发表文章报道了由河流-入海口-海洋梯度环境下，浮游和底栖微生物群落结构、多样性及功能。
背景
从河流至河口再到海洋，河流流水和海洋潮汐影响营养物质分配，形成盐度梯度。这种梯度直接影响生物群落的组成和分布，导致中界盐分带（horohalinicum，盐浓度介于0.5-0.8%）内底栖大型动物物种丰度较低，微生物丰富较高。盐度和环境类型（如水或沉积物）是影响细菌和古细菌群落组成的主要因素，河流流量和浮游植物群落组成也会影响河口浮游生物群落的变化。关于沉积物和水中细菌、古细菌和真核微生物生态，以及河流到海洋的盐度梯度知之甚少，这些因素（水、沉积物、盐度）如何影响整个环境连续体中的微生物基因表达，在很大程度上仍有待探索。
影响微生物群落在盐度梯度上分布的一个关键因素是对盐胁迫的特异性适应。细菌采用两种不同的策略来应对其环境中的渗透压变化：（1）促进K+积累的盐溶策略和（2）合成或吸收作为渗透保护剂的有机相溶质。K+吸收系统报道的有高渗环境中的trkA和kup系统，以及低外部K+浓度的kdp系统。细菌还可以利用各种Na+/H+逆向转运蛋白和Na+转位脱氢酶在高盐环境中向细胞外输出Na+。除盐度外，从淡水到海洋系统，营养物的可用性和类型也存在显著差异，并被预测会对群落组成和功能产生重大影响。这些系统将富含氮的淡水与富含硫酸盐和磷酸盐的海水混合，富含硫酸盐的盐水促进了亚铁硫化物的形成，从而减少了沉积物中的磷酸盐吸附，提高了盐水中的磷酸盐浓度。淡水微生物群落可能依赖于高亲和力磷酸盐吸收机制。河口环境中氮和磷含量相对丰富，这促进了初级生产者的生长，反过来也增加了异养生物的生长。微生物组中每个分类群对河流-河口-海洋样带生物地球化学循环的相对贡献有待研究。
试验设计
为了确定微生物分类学和功能多样性以及代谢热点，我们沿着连接韦韦韦拉河、河口和海滩（新西兰奥克兰）的5-km河段，对底栖沉积物（以下简称“底栖”样品）和上覆水（“浮游”样品）进行了采样。结合宏基因组学、转录组学和地球化学数据，确定了盐度和养分有效性对原核生物和真核微生物群落多样性以及关键生理和生态过程的影响，如渗透调节、初级生产和养分循环。
结果
盐度与其他环境参数对形成微生物群落的贡献
营养盐和盐度梯度是河口系统的主要特征，沿威韦拉河-河口-海洋的硝酸盐浓度普遍降低，微咸沉积物中有机碳浓度升高，溶解活性磷和硫酸盐随盐度增加。盐度影响沉积物细菌和微生物群落组成最大，营养物质在构建这些微生物群落中也起着重要作用。水与沉积物环境类型是区分微生物群落的唯一最重要因素，因为在整个梯度上，无论盐度如何，底栖生物和浮游生物群落始终存在巨大差异。
营养成分对微生物群落结构的影响
在沉积物和水环境的盐度梯度范围内，细菌、古细菌和真核微生物的组成存在巨大差异。浮游生物和底栖生物群落的相似性总体下降，导致非盐水和盐水群落组成之间的明显分离。沉积物是一个更不均匀的环境，底栖生物群落的强烈空间异质性可能是由于沉积物内更大的稳定性，其受潮汐混合的影响较小。盐度对微生物α多样性的影响。通过Shannon指数和相对OTU丰富度在沉积物中较高。底栖和浮游生物群落在盐度梯度上的丰富度和香农多样性表现出相反的趋势。
微生物群落结构与多样性
功能基因丰度和表达梯度差异以及与群落组成的关系。代谢谱（基因和表达的基因）随着盐度差异的增加而减少。与磷代谢、光合作用和渗透调节相关的基因和转录物丰度在淡水、微咸水和海水中分别显著较高。微咸水沉积物的特征是硫代谢显著较高。在底栖环境中被确定为显著且差异丰富的基因和转录本较少，这反映了底栖生物群落组成和营养物质可用性的高度空间异质性。
代谢活性在盐度梯度上的分布
淡水和盐水环境下不同的渗透调节策略。微生物种类分布主要由盐度驱动，淡水（β-变形杆菌）和盐水（α-变形杆菌和γ-变形杆菌）中的优势微生物类群采用了不同的渗透调节策略，K+的运输在淡水中也至关重要。非盐水沉积物中钾（K+）转运蛋白基因kdp的丰度显著增加。trkA在海水和沉积物中更为丰富。
跨盐度梯度的基因和基因表达谱
通过Calvin–Benson、Wood–Ljungdahl和反向三羧酸（TCA）途径观察了河流-海洋样带中的多样性生物，它们具有氧或缺氧光合作用和碳固定能力。与初级生产相关的基因表达在半咸水区的水中最高。硅藻主导了整个微咸水样带的沉积物初级生产力。浮游植物初级生产力的增加，以及由此导致的生物量下降，可以解释在半咸水地区测得的总沉积有机碳、氮和磷浓度较高的原因。
淡水至海洋底栖和浮游环境中代谢基因和基因表达的示意图。
铵是在底栖环境中观察到的主要无机氮源，硝酸盐和亚硝酸盐浓度较低。沉积物中的铵在底栖生物中大量再生。底栖区较高的铵浓度也可能是由于浮游植物水华的沉积，促进了底栖环境中硝酸盐的吸收和铵的释放。在非盐水和半咸水沉积物中检测到与固氮（nifABDH）相关的基因。在上覆水中几乎没有检测到nifABDH转录本，这可能是由于铁和钼浓度较低，这是海水的特征。与蓝藻霉素（cphA）相关的基因在非盐水中的betaprotobacteria中更丰富和高表达。
溶解磷（DRP）浓度在海洋沉积物孔隙水中最高，在淡水环境中最低。磷吸收（pstSABC）和调节（phoU、phoB和PHR）基因与磷浓度呈负相关，并且在磷酸盐限制的非盐水中的表达显著更高，主要由β-杆菌（伯克霍尔德菌属）表达。在磷酸盐有限的淡水中，依赖于有效的磷酸盐吸收和调节机制。
跨盐度梯度的氮循环动力学。与硝化作用和反硝化作用相关的基因主要在半咸水沉积物中表达，对应于较高的总有机碳（TOC）、总氮（TN）和总可回收磷（TRP）浓度。古细菌仅占整个微生物组的一小部分，但基因表达数据表明，它们是微咸水沉积物中的主要氨氧化剂，是河口生物地球化学循环的重要贡献者。至于硝化作用，与氧化亚氮还原（nosD，nosZ）相关的基因（反硝化途径的最后一步）主要在微咸水沉积物中表达，并且主要与拟杆菌相关。硫代谢在咸水-海洋环境中最为活跃。硫代谢基因，包括硫还原（硫酸的cysN、sat和aprA；亚硫酸盐的dsrABD）和氧化（硫的rdsrAB）在微咸水沉积物中的表达显著更高。高度丰富的Gammaprotobacteria和Deltaprotobacteria能够氧化硫和还原硫酸盐。这些结果表明微咸水环境是生物地球化学循环的热点。
参与光合作用和碳固定的分类单元特定基因和转录本的分布