Cell | 基因表达变化和群落周转差异塑造了全球海洋宏转录组
编译：艾奥里亚，编辑：十九、江舜尧。
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苏黎世联邦理工大学（ETH Zürich）的Guillem Salazar等人于2019年11月14日在Cell上发表题目为《Gene Expression Changes and Community Turnover Differentially Shape the Global Ocean Metatranscriptome》的文章。Shinichi Sunagawa担任该研究通讯作者。该文章在全球范围内，基于基因组以及转录本分析，通过建立了非冗余蛋白质编码序列的参考目录，在物种水平上揭示来自海洋微生物群落的基因和转录本的丰度，同时确定了生物地球化学过程，以及碳、氮和硫循环，群落更替的变化的贡献，以及跨纬度和深度的宏转录本差异的基因表达变化。通过研究，笔者同样探究了不同机制的相关贡献以及它们在极地与非极性区域之间对海洋变暖的响应。这一研究的发现，使人们对海洋中跨环境梯度（例如，纬度和深度）的metatranscriptummic差异有了更进一步的认知，为未来海洋科学的发展提供研究基础。
海洋微生物群落对我们所居住的星球的生物地球化学、食物网以及气候等方面表现出强烈的影响。尽管最近在了解它们的分类学和基因组组成方面取得了进展，但人们对其转录本如何在全球范围内变化知之甚少。本研究中，研究者提出了来自全球分布的126个采样站的187个宏转录本和370个宏基因组的数据集，并建立了4700万个基因的资源，以研究从跨深度范围内的群落水平上的转录本变化情况。研究人员研究了基因表达变化和群落周转作为沿着这些环境变异轴线形成群落转录体的潜在机制，并揭示了单一因素在多种生物地球化学相关过程中的贡献度的差异。此外，研究人员发现极地水域中基因表达变化的相对贡献率显著低于非极地水域，并提出假设：在极地地区，群落活动的变化在响应海洋变暖方面主要受生物组成变化而驱动，而非基因调节所驱动。
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图1 | 本研究中说研究的宏组学数据集的地理覆盖范围。
图2 | 海洋微生物参考基因目录的检出率及注释。A代表从180个原核富集的宏基因组（橙色）和187个原核富集的宏转录本（蓝色）中读取的百分比与MarRef数据库相比95%的相似度的一致性；B代表在180个原核生物富集样本中检测到的海洋微生物参考基因的积累；C代表在结构域水平上对基因进行分类注释，并将基因功能注释分解为KEGG和eggNOG直系同源组。
图3 | 全球海洋微生物组合物的纬向划分。
图4 | 全球海洋微生物群在深度层之间和极地与非极性区域之间组成的模式和驱动因素。A代表基于10000排序轴的部分（地理距离校正）Mantel检验和Bonferroni校正下，上层水体分类学、宏基因组和宏转录本组成与27个环境因子中的相关性；B代表跨三个深度层的极性和非极性微生物的组成丰富性；C代表物种丰富度(OTUs数量)、功能宏基因组丰富度(metaG)和宏转录本丰富度(metaT)之间的相关性。
图5 | 基因丰度和表达差异确定了跨深度层和极性与非极性区域之间代谢标记基因的差异转录本丰度。在表层和中层之间（A）以及极性和非极性区域之间（B），基因和转录本的丰度和代谢标记基因（KOs）基因表达水平的差异。
图6 | 以编码nifH作为代表的“物种”的24个氮化酶基因（nifH）的相对基因和转录丰度。从海洋微生物参考基因目录中检测到的24个nifH相关基因（橙色）和转录本（浅蓝色）丰度分布，在122个匹配的宏基因组和宏转录组（A）中显示并按样品来源的纬度（B）和深度（C）进行划分。颜色表示门水平上的分类注释，以对应于更精细分类或数据库特定的标识符（D）进行命名，而星星代表表示以前在异养固氮细菌MAGs中鉴定的基因。
图7 | 群落更替和基因表达变化对宏转录本组成变异的相对贡献。