科研 | SBB:宏基因组学解析了中国腾格里沙漠两种不同生物土壤结皮微生物

编译:Frank,编辑:小菌菌、江舜尧。

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导读

生物土壤结皮广泛分布于世界各地的干旱和半干旱环境中。生物土壤结皮的微生物代谢途径有助利生物地球化学过程,从而改善表层土壤的物理化学特性。然而,在不同类型生物土壤结皮中各种微生物过程间的差异,在宏基因组学角度还未进行全面的研究。在本研究中,作者比较了两种生物土壤结皮(细菌和苔藓生物土壤结皮)。结果表明:放线菌是细菌和苔藓生物土壤结皮中最丰富的菌门,但在变形菌、酸杆菌、蓝藻、浮霉菌和拟杆菌等菌门的组成上也存在差异。两种生物土壤结皮的C和N相关代谢途径的分布不同。编码一氧化碳脱氢酶的基因比参与卡尔文循环的核糖1,5-二磷酸羧化酶/加氧酶的基因丰富,这实际上是两种生物土壤结皮碳固定的主要代谢途径。N2固定途径的低多样性似乎是生物土壤结皮微生物的一个显着特征,而氮还原则主导了两种生物土壤结皮的代谢网络。细菌土壤结皮的微生物体富含同化硝酸盐还原基因,而苔藓土壤结皮的微生物体富含异化硝酸盐还原基因。在(生物)化学参数中,TOC可以区分细菌和苔藓生物土壤结皮。本研究表明,生物土壤结皮类型对TOC含量及生物分类学、基因和代谢多样性有显著影响。本研究揭示了生物土壤结皮在分类学和功能多样性上的显著差异,驱动生物土壤结皮碳氮转化过程的微生物生化途径对理解生物土壤结皮在沙漠生态系统中的作用至关重要。

论文ID

原名:Comparative metagenomics of two distinct biological soil crusts in the Tengger Desert, China

译名:宏基因组学解析了中国腾格里沙漠两种不同生物土壤结皮微生物

期刊:Soil Biology and Biochemistry

IF:5.29

发表时间:2019.10

通讯作者:李靖宇

通讯作者单位:北方民族大学生物科学与工程学院;北方民族大学宁夏特殊生境微生物资源开发与利用重点实验室

实验设计

1 研究地点及生物土壤结皮取样
宁夏回族自治区沙坡头生态恢复区的12个生物土壤结皮采样点均位于腾格里沙漠东南部。生物土壤结皮包括蓝藻垫、地衣和苔藓生物土壤结皮。海拔1339米,位于沙漠和绿洲之间的半干旱和干旱温带。土壤含水量为2~5%,地下水位在80 m以下。年平均气温10.0°C,平均最低气温−25.1°C,平均最高气温38.1°C,年日照时数3264 h,年平均降水量186.2 mm,年潜在蒸发3000 mm,年平均风速2.9m/s。2017年9月在两种土壤结皮类型的6个采样点进行采样,每点5个重复。

图1 腾格里沙漠南部采样点和不同生物土壤结皮的分布。生物土壤结皮包括细菌(Z1-Z6)和苔藓 (X1-X6)两种。

2 生物土壤结皮的化学分析

总氮(TN)用Kjeldahl法测定,硝酸盐(NO3)用酚醛酸比色法测定,铵(NH4+)用吲哚酚蓝比色法测定,亚硝酸盐(NO2)在样品中萃取并化学反应后在543 nm处测定,阳离子交换容量(CEC) 用乙酸铵法测定,总磷(TP)用钼蓝法测定,总钾(TK)用原子吸收分光光度计测定,总有机碳(TOC) 采用重铬酸钾-硫酸氧化法测定。

3 DNA提取、文库构建和基因组测序

DNA提取试剂盒:Fast DNA SPINKit for Soil (MP Biomedicals, Santa Ana, CA, USA)。
宏基因组文库构建试剂盒:TruSeqTM DNA Sample Prep Kit (Illumina, San Diego,CA, USA)。
测序平台:Illumina HiSeq 4000平台上进行了配对末端测序。
NCBI序列登录号:SRP 131615。

4 序列质量控制、装配、基因预测、分类学和功能注释

SeqPrep从配对末端Illumina读数的3'和5'末端去除衔接子序列。用Sickle去除低质量读段和短读段,IDBA-UD和MIGHIT程序用于最终装配,利用NCBI将大于100 bp的ORF翻译成氨基酸序列。所有序列同源性为95%,对覆盖率为90%的预测基因均采用cd-HIT进行聚类,并选择每个簇中最长的序列作为代表序列,使用SOAP定位仪对代表性序列进行质量过滤。使用BLASTP对具有代表性的序列进行分类注释,利用eggNOG和KEGG两个数据库了解微生物在不同生物土壤结皮中的潜在功能。利用主坐标分析方法,研究两种生物土壤结皮是否在不同的类群中聚类。

5 统计分析

对化学参数、分类学和功能成分进行方差分析,通过主坐标分析观察两种不同类型的生物土壤结皮在菌属和功能水平上是否有明显的微生态差异。

结果

1 生物土壤结皮化学性质的比较

细菌与苔藓生物土壤结皮间的AK、AP、CEC、TK、TP、TC、MB_C、MB_N、NH4+_N、NO2_N、NO3_N和TN含量无显着性差异,苔藓生物土壤结皮的TOC含量显著高于细菌(图2)。

图2 苔藓与细菌生物土壤结皮化学因子比较分析。

2 细菌和苔藓生物土壤结皮微生态系统的比较

微生物的生物分类学(图3a)、基因 (图3b)和代谢多样性(图3c)因生物土壤结皮类型的不同而异。细菌和苔藓生物土壤结皮间菌属数量、蛋白质编码基因和代谢途径差异显著。
细菌占苔藓生物土壤结皮微生物群的97.92%,占细菌生土壤结皮微生物群的98.27%。在苔藓和细菌土壤结皮中,古菌分别占0.86%和1.12%。真核生物在苔藓和细菌土壤结皮中分别占1.02%和0.50%。高丰度的菌门有放线菌门(44.78%)、变形菌门(24.97%)、酸杆菌门(7.47%)、蓝藻(5.25%)、绿弯菌门(3.33%)、浮霉菌(2.37%)、拟杆菌门(2.21%)、厚壁菌门(1.72%)和芽单胞菌门(1.38%)。变形菌门、酸杆菌门、浮霉菌和拟杆菌门在苔藓生物土壤结皮中更丰富,而蓝藻在细菌生物土壤结皮数量更多(图4)。在菌属水平,Pyrinomonas、微小杆菌、类诺卡氏菌、游动放线菌、链霉菌、糖丝菌、小单孢菌、土壤红色杆形菌、鞘氨醇单胞菌、分支杆菌和康奈斯氏杆菌在苔藓生物土壤结皮比细菌土壤结皮丰度高。而红色杆菌、地嗜皮菌、微鞘藻、尔纳普氏菌、芽球菌、单歧藻和贫养杆菌在苔藓生物土壤结皮的数量明显少于细菌土壤结皮(图5)。
分析两种生物土壤结皮在功能上的差异,多数基因注释到的通路包括碳代谢、氨基酸生物合成、群体感应、氧化磷酸化、乙醛酸和二羧酸代谢、丙酮酸代谢、双组分系统、原核生物固碳途径、甲烷代谢、丙酸盐代谢、氨基糖和核苷酸糖代谢、2-氧羧酸代谢、氨基酰基-tRNA生物合成、淀粉和蔗糖代谢、脂肪酸代谢、半胱氨酸和蛋氨酸代谢以及丁酸盐代谢。与细菌生物土壤结皮相比,在苔藓生物土壤结皮中有7条KEGG通路被高表达(图6)。相对丰度大于整个模块1.00%的13个KEGG模块的丰度在生物土壤结皮之间存在差异。与细菌生物土壤结皮相比,M 00359(氨基酰基-tRNA生物合成,真核生物)、M 00048(肌苷一磷酸生物合成)、M 00335(分泌系统)、M 00144(NADH:醌氧化还原酶、原核生物)、M 00360(氨基酰基-tRNA生物合成、原核生物)和M 00258(假定ABC转运蛋白)在苔藓中的表达量较高。相反,M 00001(糖酵解)、M 00374(二羧酸羟丁酸循环)、M 00173(还原柠檬酸循环)、M 00376(3-羟基丙酸双循环)、M 00570(异亮氨酸生物合成)、M 00009(TCA循环)和M 00004(戊糖磷酸途径)在苔藓微生物土壤结皮中的表达量低于细菌土壤结皮(图7)。

图3 生物土壤结皮类型对微生物分类(a)和功能(b和c)组成的影响。a:菌属水平;b:eggNOG水平;c:KEGG通路水平。

图4 苔藓与细菌生物土壤结皮菌门的比较。

图5 苔藓与细菌生物土壤结皮菌属的比较。

图6 在KEGG 3级通路上苔藓和细菌生物土壤结皮的功能比较。

图7 在KEGG模块水平上苔藓和细菌生物土壤结皮的功能比较。

3 细菌和苔藓生物土壤结皮的碳氮相关途径

卡尔文循环以8条一般固碳途径和7条原核特有固碳途径为重点,被证实是两种生物土壤结皮中最重要的光合固碳途径,其次是还原性戊糖磷酸循环途径。编码1,5-二磷酸核酮糖羧化酶大亚基和小亚基的基因分别在苔藓生物土壤结皮中检测到6681和926个基因拷贝,在细菌生物土壤结皮中检测到6653和1111个基因拷贝。在原核固碳途径中,还原性柠檬酸循环、二羧基化羟基丁酸酯和3-羟基丙酸双循环占主导地位。
对于参与氮循环的基因,异化硝态氮还原、同化硝酸盐还原和反硝化作用明显,而固氮作用则不显著。苔藓和细菌生物土壤结皮之间的异化硝酸盐还原基因narG,narH,narI,nirB,nirD,nrfA和nrfH丰度差异显着(图8)。亚硝酸根转化为铵态氮的亚硝酸盐还原酶的大亚基和nirB基因,在苔藓和细菌生物土壤结皮中的丰度分别为32.18%和28.78%。参与硝酸盐异化还原的基因在苔藓生物土壤结皮中的总丰度显著高于细菌生物土壤结皮。与同化硝酸盐还原有关的nasA, nasB, narB and nirA基因在细菌中明显多于苔藓生物土壤结皮。亚硝酸根转化为铵态氮的亚硝酸盐还原酶和nirA,在苔藓和细菌生物土壤结皮中的丰度分别为9.30%和18.85%。与细菌生物土壤结皮相比,苔藓中参与同化硝酸盐还原的基因总丰度显著降低。在反硝化方面,在细菌土壤结皮中催化氮还原最后一步的nosZ基因比苔藓生物土壤结皮丰富得多(图8)。与固氮有关的nifH, nifD and nifK基因的总丰度在苔藓中明显低于细菌生物土壤结皮。

图8. 不同的氮转化途径及苔藓和细菌生物土壤结皮的相对基因丰度。(a)比较两种不同类型的氮转化过程的功能基因。(b)苔藓 (左)和细菌(右)生物土壤结皮生物群落氮循环的主要途径。

4 生物土壤结皮的化学特性与微生物群落的关系

生物土壤结皮的类型解释了微生物群落的组成和结构。微生物群落的结构和组成与TOC和生物土壤结皮类型以及TOC、TP和生物土壤结皮类型的因子组合相关(表1)。在分类群落结构中,生物土壤结皮类型解释了大约70.4%的总方差(表2)。同样,生物土壤结皮的类型和/或TOC解释了生物土壤结皮的功能多样性(表3)。

表1 BIOENV分析表明,在菌属水平上与微生物相对丰度相关性最好的化学因子。

表2 用PerMANOVA方法评价不同生物土壤结皮类型和总有机碳(TOC)对菌属水平微生物群落组成的影响。

表3 用PerMANOVA方法评估不同生物土壤结皮和(生物)化学参数对不同功能水平微生物组分的影响。

结论

本研究对腾格里沙漠东南部细菌和苔藓生物土壤结皮的微生物群组成和碳氮相关代谢网络进行了详细描述。为深入了解生物土壤结皮中生物地球化学过程的遗传基础,特别是驱动氮循环的生化途径提供了见解。存在大量编码硝酸盐还原酶的基因,表明这一反应很可能是由N循环中的生物土壤结皮决定的。随着生物土壤结皮的演替,氮代谢网络的结构发生了变化,尤其是同化硝酸盐还原基因的丰度下降,异化硝酸盐还原基因的丰度增加。蓝藻数量的减少伴随着微生物组分结构的显著变化。不同的生物土壤结皮类型在相对丰度上没有差异,放线菌是细菌和苔藓生物土壤结皮中最丰富的菌门,但在结构上有明显的变化。研究表明,生物土壤结皮类型对生物分类学、基因和代谢多样性有着显著的影响。本研究对微生物群落功能结构的认识,为理解干旱和半干旱环境中生物土壤结皮提供生态系统服务的过程提供了基础。


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