科研 | Glob. Ecol. Biogeogr.：全球甲烷氧化和反硝化微生物功能基因的驱动因子
编译：厚朴，编辑：小菌菌、江舜尧。
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携带pmoA和nosZ基因的微生物是土壤中甲烷和氧化亚氮最主要的驱动者。然而，大多数关于这些微生物的研究主要在湿地系统中进行，因此在全球大的干旱生物区系对驱动这些微生物分布的驱动因子还不清楚。
本研究进行了一个全球的调查评估了气候和土壤相关的变量作为携带pmoA和nosZ基因的细菌微生物丰富度、丰度和群落结构的预测因子的重要性。从2006年2月到2011年12月本研究调查了全世界分布的80个旱地生态系统。本研究使用野外调查的数据和结构方程模型评估了气候和土壤变量对携带pmoA和nosZ基因微生物的总丰度、丰富度以及群落结构直接和间接的影响。
本研究发现通常与湿生环境相关联的Methylococcus capsulatus或者Methylocapsa sp.细菌类群在干旱生态系统中也很常见。甲烷氧化菌的丰度和丰富度与气候以及土壤属性都不相关。然而，年平均温度、降雨季节性、有机碳、pH和含沙量与甲烷氧化菌的群落结构高度相关。干旱和土壤变量，例如含沙量与pH，与含nosZ基因的细菌群落丰度、群落结构以及丰富度相关。本研究为全球干旱生态系统中携带pmoA和nosZ基因的土壤微生物的丰度、丰富度和群落结构方面的驱动因子提供了新的视角。本研究强调了气候变化的改变将会如何影响土壤微生物的结构，改变的微生物可能会影响净的甲烷交换量并且也有可能降低干旱土壤中微生物进行反硝化的最后一步（氧化亚氮还原成氮气）的能力，从而导致净的氧化亚氮释放增加。
论文ID
原名：Global drivers of methane oxidation and denitrifying gene distributionin drylands
译名：在干旱土壤中甲烷氧化和反硝化基因分布的全球驱动因子
期刊：Global Ecology and Biogeography
IF：5.667
发表时间：2019.5
通信作者：Angela Lafuente
通信作者单位：胡安卡洛斯国王大学
实验设计
本研究在12个国家80个旱地生态系统中进行。调查的地点包括世界各地干旱地区的各种生物和非生物条件。研究地点的干旱指数（AI=年平均降雨量/潜在的土壤水分蒸发蒸腾损失总量）范围为0.06-0.50，年平均温度的范围为-1.8-24.2℃以及降雨量的范围为67-766mm，包括主要的植被类型（草地、灌木地、稀树草原和干燥的森林）。在2006年2月到2011年12月期间，在每个研究地点根据统一的方法选择一个具有代表性的30 × 30 m 的样方进行野外取样。
评估了每个研究地点的干旱指数，测定了土壤有机碳，土壤pH以及土壤含沙量。与此同时，使用实时荧光定量PCR的方法测定了甲烷氧化菌（pmoA）和氧化亚氮还原细菌（nosZ）功能基因的丰度。本研究使用T-RFLP的方法研究了甲烷氧化菌和氧化亚氮还原细菌的群落组成。
结果
1 在干旱生态系统中携带pmoA或nosZ基因的优势细菌类群
在全球干旱系统中，7和6个优势T-RFs占据了pmoA和nosZ基因>75%的相对丰度（图3）。甲烷氧化菌的非度量坐标（NMDS）分析的第一和第二轴与T-RF_31分别正相关和负相关，T-RF_31与USCα相关，是Methylocapsa sp.（II 型甲烷氧化菌）的远亲。甲烷氧化菌的NMDS第二轴也与T-RF_79正相关，T-RF_79与II 型甲烷氧化菌相关，与甲基孢囊菌科（Methylocystaceae）相关联。甲烷氧化菌的第三轴与T-RF_79和T-RF_245都正相关；后者属于I 型甲烷氧化菌，与荚膜甲基球菌（Methylococcus capsulatus）关系紧密。
同样地，对于携带nosZ反硝化细菌的NMDS的第一轴与T-RF_88和T-RF_132正相关；这些片段存在于70%以上的样品分析中。反硝化细菌的NMDS的第二轴与T-RF_471,T-RF_93,T-RF_107和T-RF_331正相关，大于等于86%的片段在样品分析中呈现，与T-RF_35负相关，T-RF_35在所有的土壤样品中都被评估了。反硝化细菌的NMDS的第三轴与T-RF_104负相关。很遗憾，发表的工作中没有能够提供相关片段具体分类单元的信息。
2 植被类型和气候对携带pmoA或nosZ基因的细菌优势分类群的影响
本研究发现pmoA和nosZ基因的平均拷贝数分别为5.1 × 107和5.8 × 108。沿着植被类型或者干旱梯度不能检测到pmoA总的丰度和丰富度的变化以及nosZ丰富度的变化（图S4）。然而，本研究检测到了nosZ的基因丰度在半干旱草地和灌木地有所增加（图S4）。在不同的植被类型和干旱分类中含有pmoA基因的T-RFs高度变化（图3a），与nosZ基因相反，不管植被类型还是被考虑的干旱分类，占优势的T-RFs是T-RF_32和T_RF_73。优势细菌类群T-RFs的丰度在不同的植被类型和干旱分类总是非常一致的，本研究只检测到了T-RF_32丰度的变化（图3b）。在半干旱的开阔森林中，T-RF_32的丰度少于干旱的草原和半干旱的灌木生态系统（图3b）
3 气候和土壤属性对携带pmoA和nosZ基因细菌类群直接和间接的影响
干旱度的增加与nosZ的丰度呈现二次关系（图S3a）。增加的土壤有机碳和pH与增加的nosZ的丰度线性相关（图S3b）。含砂量的增加与nosZ丰度的降低呈线性相关（图S3c）。
结构方程模型提供了一个关于携带pmoA和nosZ基因的细菌丰富度、丰富和群落结构主要预测因子的全面视角。结构方程模型仅仅能够解释甲烷氧化细菌丰度6%的方差，和丰富度10%的方差，但是在解释他们的群落结构方面更为成功（图1）。PmoA基因的丰度和丰富度既不能直接被土壤和气候变量直接评估也不能被微生境评估。仅仅可以检测，尽管是微弱的，经度对pmoA基因丰富度的存在正效应，表明甲烷氧化菌在北半球的丰富度更高。对于预测甲烷氧化菌群落结构方面气候和土壤变量的作用几乎是同等的。具体而言，本研究发现MCS_1轴（与Methylocapsa甲基帽菌属相关联）与年平均温度直接正关联，但是与土壤有机碳的量直接负相关。换句话说，与这个轴相关的细菌类群或许更喜欢温度高和土壤碳含量低的地方。干旱度对MCS_1轴有直接的负效应，通过减少土壤有机碳的含量对这个轴有间接的正效应。MCS_2轴（与Methylocystaceae甲基孢囊菌科相关联）与土壤pH直接正相关，与年平均温度和土壤质地直接负相关。因此，与这个轴相关的细菌类群可能更倾向于温度更低和土壤pH更高的地方。年平均温度也通过增加土壤pH，间接的正向影响MCS_2轴。MCS_3轴（与甲基孢囊菌科以及Methyloccoccuscapsulatus相关联）与干旱度，年平均温度，季节降雨量以及土壤有机碳直接正相关，但是与邻近的植被负相关。这意味着与该轴相关的类群可能更喜欢温度和降雨量季节性较高的未退化地表和有机碳含量较高的土壤。干旱度也会通过减少土壤有机碳的含量间接的对MCS_3轴产生负的影响。标准化的总的影响强调了土壤变量是MCS_1（有机碳和含沙量；图4）和MCS_2（土壤pH和质地，图4）的主要驱动因子；年平均温度，季节降雨量和土壤有机碳是MCS_3的主要预测因子。
结构方程模型解释了携带nosZ基因的反硝化细菌丰度34%的方差，解释了它们的丰富度24%的方差以及它们的结构22-52%的方差（图2）。干旱和土壤变量同样是决定nosZ基因丰度和丰富性的决定因素。这个基因的丰度与土壤有机碳正相关，表明携带nosZ基因的反硝化细菌更喜欢土壤有机碳含量高的土壤。干旱对总的nosZ基因的丰度有直接的曲线影响。此外，干旱也会通过直接正向影响土壤pH和质地以及直接负向影响土壤有机碳间接影响nosZ基因的丰富度（图5）。
携带nosZ基因的细菌群落结构受气候和土壤变量的影响，干旱，土壤pH，含沙量是最影响NMDS轴的驱动因子。DCS_1轴与干旱直接负相关，与土壤pH和质地直接正相关。换句话说，与这个轴相关的细菌类群或许更喜欢pH水平较高并且粗糙的土壤。干旱也通过它们对土壤pH和质地的正向影响间接影响DCS_1（图5）。DCS_2轴与季节降雨量有直接的负相关关系，与植被有正向相关关系，表明与该轴相关的细菌分类类群更倾向于有较低季节性降雨量的植被覆盖地区。季节性降雨量也会通过对土壤质地的负影响间接的正向影响DCS_2（图5）。DCS_3轴与干旱，年平均温度，土壤pH以及有机碳有直接的正向相关关系。简单来说，与该轴相关的细菌类群或许更喜欢温暖并且干旱的地方，此外土壤中有更高的有机碳含量。此外，年平均温度会通过正向影响土壤pH，间接对DCS_3有负的影响（图5）。标准化的总的影响表明干旱和土壤有机碳是nosZ丰度最主要的驱动因子（图4）。土壤变量（土壤质地和pH）是nosZ丰富度（图5）和DCS_1（图4）最主要的驱动因子。植被和季节降雨量是DCS_2最主要的驱动因子（图4），年平均温度是DCS_3最主要的驱动因子，其次是土壤pH，干旱以及土壤有机碳（图5）。
图5 从结构方程模型里评估绝对的影响（绝对值的和；左图）和标准化的总影响（直接加间接；右图），包括纬度（Lat），经度余弦（Lon_c），经度正弦（Lon_s），干旱，年平均温度（MAT），降雨季节性（RASE），含沙量，有机碳，pH，微生境对携带nosZ基因的细菌的丰度（a），丰富度（b），DCS_1（c）,DCS_2（d）,和DCS_3（e）的影响。
结果
理解土壤甲烷氧化菌和携带nosZ基因的反硝化细菌的丰度，丰富度和群落结构的主要生态驱动因子对于提高我们理解全球变化将如何影响全球干旱地区这些具有重要功能的微生物群落的分布是重要的。本研究提供了干旱生态系统第一份关于携带pmoA和nosZ基因细菌类群的全球评估。而且，本研究在全球尺度上提供了这些微生物的生态预测因子的新观点，这些在全球变化的情形下可以用来模拟甲烷氧化菌和携带nosZ基因反硝化细菌的丰度和丰富度。本研究发现通常与湿生环境相关联的细菌类群[例如，T-RFs 31（Methylocapsa sp.）和245 （Methylococcuscapsulatus）]在全球干旱的生态系统中也常见。本研究也发现气候（例如，年平均温度，降雨的季节性或者干旱）、土壤属性（例如，有机碳，pH或者含沙量）是携带pmoA和nosZ基因群落结构重要的预测因子。本研究的结果表明，许多气候对甲烷氧化菌和携带nosZ基因的反硝化细菌群落结构的影响间接受土壤变量（例如，有机碳，pH和质地）变化的间接驱动。而且，本研究的模型研究在解释携带nosZ基因的细菌群落的丰富度，丰度和群落结构方面较pmoA的更有效。尽管气候对土壤微生物的影响是已知的，但是本研究中相对于气候对携带nosZ基因的细菌群落很强的影响并没有检测到气候对甲烷氧化菌有显著的影响，表明甲烷氧化菌相对于携带nosZ基因的细菌群落对关键的气候驱动因子有更低的敏感性。
1 对甲烷氧化细菌直接和间接的影响
尽管通常持有的假说认为气候是甲烷氧化菌丰度的关键决定因子，但是本研究并没有发现温度或者干旱对pmoA基因丰度和丰富度很强的直接影响（图1）。这些研究结果表明，与湿生的环境不同，在干旱生态系统甲烷氧化细菌的丰度和丰富度不能很好的被平均的气候参数所预测，这些微生物可能受更多的随机事件所驱动而不能被气候变化捕捉到。就群落结构而言，本研究中最优势的pmoA T-RFs （例如，T-RFs 31 和245）在其他湿生生态系统中也被定义为优势类群。这些结果表明甲烷氧化菌在一个很宽范围的环境条件下都能成功定殖。尤其是T-RF_245，与Methylocossus capsulatus有潜在的联系，在湿生生态系统中被广泛描叙，在本研究中所观测的T-RFs中也是丰度最多之一（图3）。这些结果强调了甲烷氧化菌分类单元的全球分布，甲烷氧化菌在干旱生态系统中可能一直很丰富，也证实了在这些生态系统中低且不频繁的降雨事件支持了甲烷氧化菌群落的维持。尽管在干旱生态系统中T-RF_245一直保持着较高的丰度，这个类群与更干旱以及更高的温度相关联（图1），这与现有的关于T-RF_245现有的知识相匹配，T-RF_245与Methylococcuscapsulatus相关联，嗜热的产甲烷菌来自甲藻科的嗜热的产甲烷菌。
气候对除了甲烷氧化菌群落一些直接的影响外，本研究还发现气候的一些影响是间接的，主要受土壤属性变化驱动。不同水平的土壤有机碳，pH，和质地以及相关联的干旱度和年平均温度的变化是甲烷氧化菌群落结构的主要的环境预测因子。在甲烷氧化菌主要的预测因子中，土壤属性和气候被认为是最主要的。土壤有机碳对MCS_1轴的负效应可能与高亲和性甲烷氧化菌的存在相关，它们有能力利用大气中的甲烷作为碳源。我们期望这些分类群在干旱的土壤中成为甲烷氧化菌群落主要的成分，尽管未来的工作有必要支持这一设想。然而，除了甲烷，甲烷氧化细菌能够兼性利用有机碳源。之前的研究表明土壤pH是细菌丰度和多样性一个强的驱动因子，本研究支持并且观测到pH与描述了甲烷氧化菌群落结构的MCS_2轴显著相关，它与T-RF_31和T_RF_79相关，与甲藻科潜在相关。这个科包含一些噬酸的物种（在pH 3.8-5.5 范围内能生长），至少有一部分能解释本研究的结果。最后，大气中的甲烷消耗发生在土壤剖面的表层，这使它高度依赖于控制气体扩散的物理因子。本研究的结构方程模型指出土壤质地和气候是甲烷氧化菌群落结构的主要驱动因子，强调了对于这些微生物土壤通风的重要性。
2 对携带nosZ基因细菌的直接和间接的影响
与甲烷氧化菌的情形不同，关于携带nosZ基因反硝化细菌的丰度和丰富度主要的驱动因子结构方程模型提供了详细的信息。例如，本研究发现干旱对nosZ基因丰度的强烈影响，以及干旱对其丰富度的负影响。干旱对携带nosZ基因反硝化细菌的群落结构也表现为强烈的影响。在干旱生态系统中，干旱是氮有效性的一个主要的驱动因素，因为干旱的增加减少了与氮循环相关的有机质，有效氮以及土壤微生物活性。在全球尺度上，干旱和携带nosZ基因反硝化细菌呈现出比较有趣的关系。由于气候变化全球干旱持续增加，随着干旱nosZ基因丰度的变化和丰富度的减少可能会减少干旱生态系统潜在的氧化亚氮转化成氮气的能力。
土壤属性也是携带nosZ基因反硝化细菌的重要的驱动因素，间接表达了气候对nosZ基因的影响。反硝化过程高度依赖于土壤属性（Andersen & Petersen, 2009）。此外，在本研究中，nosZ基因的丰度受土壤有机碳的强驱动，表明这类微生物功能群是受养分限制的并且对增加的有机碳含量的响应是正向的。土壤pH和气候相关的变量分别与nosZ基因的丰富度正相关和负相关。低于合适的pH（6.0），nosZ蛋白的组合受损（Liu et al., 2010），在本研究中更高的pH会增加nosZ基因的丰富度。含沙量和pH也是携带nosZ基因反硝化细菌群落的重要的驱动因素（图2）。本研究的结果与Zeng 等（2017）年的结果一致，他发现土壤pH对氧化亚氮还原细菌群落有正向影响。
评论
本研究第一次报道了全球干旱生态系统中气候和土壤相关的变量对甲烷氧化菌和反硝化相关的两种功能基因的丰度，丰富度和群落结构的直接和间接影响。首先，本研究证明了与pmoA-和nosZ-相关的微生物群落在全球干旱生态系统广泛分布，强调了在干旱生态系统生物地球化学模型中包含甲烷氧化菌和携带nosZ基因的反硝化微生物的重要性。其次，本研究提供了气候（例如，干旱，年平均温度和降雨季节性）和土壤（例如，土壤有机碳，pH和土壤质地）相关的变量是nosZ基因丰度和丰富度以及甲烷氧化菌和携带nosZ基因反硝化细菌的群落结构重要的预测因子的强有力的证据。最后，本研究表明携带nosZ基因反硝化细菌可能比携带pmoA基因的细菌对已知的微生物丰度和丰富度驱动因素更敏感。
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