科研 | 北京大学ISME：长江中氨氧化菌Nitrospira的群落、生物地理学和生态驱动因素
编译：国民少女，编辑：小菌菌、江舜尧。
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氨氧化菌Nitrospira作为完全硝化剂的最新发现从根本上重新认识了自然和工程系统中氮循环的认识，但对这些新发现细菌的环境控制知之甚少。通过成功地组装10个新基因组（完整性71-96％）提高了系统发育分辨率，为6030 km连续过程中的长江浮游和底栖氨氧化菌 Nitrospira提供了第一个生物地理模式。研究表明，在这个大型淡水系统中，氨氧化菌Nitrospira的分布和相对丰度较高，分别占氨氧化原核生物（AOPs）的30％和46％，并且在水和沉积物中比典型的Nitrospira代表的丰度分别高出30.4和17.9倍。在pH值较高和温度较低的典型缺乏营养环境中，特别是在上游的高原地区（B类别），山地和丘陵地区（A类别），氨氧化菌 Nitrospira对硝化氮丰度（占AOP的34-87％）的贡献更大。由于环境的选择，从高原到下游平原，浮游性氨氧化菌 Nitrospira的占位地位被规范的Nitrospira亚系I / II和氨氧化细菌所取代，而底栖氨氧化菌 Nitrospira的相异性则与地理距离相关。在三峡大坝的下游，底栖生物大量减少（83％）氨氧化菌Nitrospira的丰度，与总体沉积物细菌类群的减少类似。总之，这项研究突显了主要河流系统中氨氧化菌 Nitrospira以前未被认识的优势，并强调了重新审视全球淡水环境中硝化过程的分布和控制的重要性。
论文ID
原名：Comammox Nitrospira within the Yangtze Rivercontinuum: community, biogeography, and ecological drivers
译名：长江中氨氧化菌Nitrospira的群落、生物地理学和生态驱动因素
期刊：The ISME Journal
IF：9.493
发表时间：2020.06.18
通讯作者：倪晋仁
通讯作者单位：北京大学
实验设计
采样，DNA提取和宏基因组鸟枪法测序：长江发源于唐古拉山脉，流入东海，为中国5.88亿人口提供支持。 2014年10月，从上游的石鼓（SG）到河口的徐六井（XLJ），在主流的24个国家水文站点对成对的地表水和沉积物进行了采样和同步处理（图1）。 2017年7月，在青藏高原长江源头的三个国家水文站点托陀河（TTH），通天河（TOTH）和直门达（ZMD）实施了额外的同步采样。考虑到近年来青藏高原水质，河流生境和水生生物的年际变化不明显，上述补救性采样有助于获得整个河段完整的氨氧化菌 Nitrospira生物地理格局。我们以前的工作中提供了采样的详细信息。测量每个站点的空间和环境参数，并将其汇总在补充信息中。从每个样品中提取基因组DNA，然后在Illumina HiSeq 4000平台上采用配对末端策略进行鸟枪法测序。最终，获得了总共30个水和32个沉积物宏数据集。
接下来，探究原核生物群落的特征，构建amoA氨基酸序列数据库，阅读氨氧化菌 Nitrospira MAG的组装和检索，处理基因组，对氨氧化菌 Nitrospira和典型硝化群落进行评估并数据分析处理
图1 长江沿岸6030公里连续带的27个采样点
结果
1 氨氧化菌Nitrospira的生物地理学分布
氨氧化菌amoA序列的数量超过了9个地点的水和14个地点的沉积物中AOA或AOB的数量，浮游和底栖的氨氧化菌Nitrospira分别平均占30％（3.8-76.4％）和46％（14.5- 86.6％）的AOP（图2a）。这表明氨氧化菌Nitrospira对长江中的AOP的贡献很大。 NMDS被用于描绘所有元基因组中特定于栖息地的模式。不仅在长江源区和主体之间的样品之间，而且在水和沉积物组之间，都观察到氨氧化菌群落的明显分离。长江水和沉积物之间的氨氧化菌Nitrospira的成分区分要强于AOA和AOB。氨氧化菌硝化螺旋藻而不是典型的AOP，在河流沉积物中大量富集，这可能表明它们的微需氧适应性和附着生长偏好。此外，宏观地貌对氨氧化菌Nitrospira和典型AOPs的空间变化有关键影响（图2b）。对于浮游和底栖生物群落，氨氧化菌Nitrospira在高原/山脉/山麓地区的AOP中所占的比例要比低丘陵和平原大得多（33.9–86.6％）。特别是，进化枝B在高原地区的氨氧化菌群落中占主导地位，占浮游和底栖AOP的27.7–64.4％，而进化枝A从山区到平原地区的竞争胜过进化枝B。在低山丘陵和平原的大多数水和沉积物样品中，典型的AOPs比氨氧化菌Nitrospira丰富，其中Nitrosoarchaeum，Nitrosopumilus，Nitrosospira，Nitrosovibrio和Nitrosomonas是主要属。值得注意的是，在河口XLJ处发现氨氧化菌Nitrospira比AOA或AOB丰富（图2a）。这一发现与在类似的河口环境中从PCR分析中得出的结果不一致。
所有的元基因组平均包含1216个读段（11–8416），与氨氧化菌Nitrospira EMG相关。在20个地点的水样和23个地点的沉积物中，氨氧化菌的Nitrospira比典型的Nitrospira亚类I / II丰富，这表明氨氧化菌群落对长江中的Nitrospira丰富度和亚硝酸盐氧化有很大贡献（图3a）。从高原到盆地的折光为246.4倍（图3b）。同样，底栖的氨氧化菌Nitrospira对高原/山区/丘陵地区的Nitrospira丰富性的贡献要比盆地，低丘陵和平原地区多，即从高原到山麓比标准的Nitrospira亚类I / II代表的丰富2.7-93.4倍。（图3b）。还获得了占主导地位的氨氧化菌Nitrospira亚种的相反趋势（图3c）。在高原的水和沉积物中，氨氧化菌的进化枝B比进化枝A丰富得多。进化枝A-IIa是高原上最丰富进化枝A的子系，从山麓到河口地区，进化枝A-Ic物种比其他氨氧化菌Nitrospira亚种吸收的阅读量要多得多，除了低丘陵区的沉积物（进化枝A-Ib）。在山区环境中，有多个进化枝（A-Ic，A-IIa和B）作为主要的氨氧化菌Nitrospira亚种，每一种都比规范的Nitrospira亚种I / II丰富得多。
图2 氨氧化菌 Nitrospira和规范AOP的生物地理模式。
图3 氨氧化菌和规范Nitrospira的生物地理模式。
2 地理距离和环境因素的影响
首先，距离衰减关系是对生活各个领域的群落进行生物地理学的综合测量。长江中水和沉积物样品的氨氧化菌Nitrospira和AOP群落相似性随着地理（曲线）距离的增加而显着下降（图4a）。通过线性回归模型评估的浮游性氨氧化菌Nitrospira（-0.098）和AOPs（-0.091）的斜率比底栖生物样品的相应值（分别为-0.057和-0.051）陡峭（p = 0.0001）。陡峭的距离-衰减坡度表明群落的空间周转率较高。
其次，我们研究了地理距离和环境因素在多大程度上解释了长江中氨氧化菌Nitrospira和AOPs的生物地理学。对于浮游生物群落，在dbRDA中的地理距离和环境因素都解释了相当大比例的氨氧化菌Nitrospira（59.6％）和AOP（54.0％）群落变异（图4b）。其中，分别高达52.2％和51.5％的氨氧化菌Nitrospira和AOP变异归因于环境变量的总影响，而地理距离仅解释了25.2％和24.4％。环境因素的纯效应（29.5–34.4％）远大于地理距离的效应（2.5-7.4％）。这些结果表明，环境过滤作为确定性过程的代理，在浮游性氨氧化菌Nitrospira和AOPs的距离衰减模式中发挥了关键作用。然而，底栖氨氧化菌群落的不同性受到地理距离（26.9％）的限制（图4b）。所选因素并未解释40.4–69.1％的变化范围，这可能归因于未测变量，生物相互作用和漂移过程。
第三，我们研究了重要的环境因素与氨氧化菌Nitrospira和典型硝化器中空间变化之间的具体联系。 dbRDA表明，氨氧化菌Nitrospira和AOP的差异对营养物的梯度有显着响应，例如水中的总氮（TN）和沉积物中的总有机碳（TOC）和总磷（TP）（补充表S8和S9）。发现水中的氨（NH3-N）浓度显着影响浮游性AOP组合，而不是氨氧化菌群落。具体而言，氨氧化菌进化枝A和B的丰度比与TN和TOC呈正相关。我们还发现，氨氧化菌Nitrospira和AOB或典型的Nitrospira亚系I / II的丰度比与NH3-N，TN，TOC或TP呈显着负相关，而氨氧化菌Nitrospira和AOA的丰度比为在比较Spearman相关系数时，与NH3-N，TOC和TP没有显着相关，而与TN没有显着相关（图5）。值得注意的是，与低丘陵和平原地区相比，高原/山区/丘陵地区的NH3-N，TN，TOC和TP浓度明显较低，这表明相对于营养缺乏型环境，氨氧化菌Nitrospira比典型的Nitrospira和AOB更具偏爱性在长江上游。此外，温度，pH和溶解氧（DO）也是影响生物地理的关键因素。水中氨氧化菌进化枝A和B的丰度比与上述三个因子呈正相关。浮游性氨氧化菌Nitrospira和AOB或典型Nitrospira亚种I / II的丰度比与温度呈显着负相关，而浮游性氨氧化菌Nitrospira和AOA的丰度与DO呈显着正相关（图5）。我们还发现，除了底栖的氨氧化菌Nitrospira和AOA外，氨氧化菌Nitrospira和典型硝化剂的丰度比均与水和沉积物中的pH呈显着正相关（图5）。
图4 氨氧化菌 Nitrospira和AOP的空间转换。
图5 氨氧化菌 Nitrospira和常规硝化器之间利基分离的环境驱动因素。
3 三峡大坝的影响
人工筑坝将河道分成不同的河段，并直接改变了上游和下游的微生物生态。三峡大坝是世界上最大的水坝之一，对沉积物中氨氧化菌Nitrospira和典型AOP的空间演替产生了深远影响。为了检查大坝的影响，仅选择了受三峡大坝影响最大的地点。 PCoA揭示，宜昌（YC）和成灵吉连（CLJL）站点的底栖AOP群落显然与巴东（BD）和苗河（MH）站点的底栖AOP群落不同（图6a）。 ANOSIM进一步证实了这些结果的一致性。此外，在三峡大坝上游沉积物中平均占AOP的31.1％的多种优势氨氧化菌Nitrospira类群在三峡大坝下游的相对丰度显着降低（图6b）。对于丰富的AOB类群也观察到了类似的变化，而属于Crenarchaeote，Nitrososphaera和Nitrosarchaeum的一些AOA类群在三峡大坝的下游具有相对较高的相对丰度（图6b）。从三峡大坝的紧邻上游到下游，底栖氨氧化菌Nitrospira和AOB的相对丰度分别下降了83.0％和78.0％（图6c）。结果，怀疑AOA在紧接三峡大坝下游沉积物中硝化的第一步中起主导作用。
图6 三峡大坝（TGD）对底栖氨氧化菌Nitrospira和规范AOP的局部影响。
结论
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