综述|Nature review microbiology：多年冻土的微生物生态学
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冻土是地球上陆地冰层的主要组成部分，同样也是嗜冷微生物独特的生态位。尽管不同的冻土类型，不同地点的微生物群落组成具有差异，但冻土中具有较高的微生物多样性。近年来由于气候变化，导致冻土融化，在一定程度上促进了冻土中的微生物活动，进而增加了温室气体排放的可能性。作者基于冻土环境的基本介绍以及冻土微生物生态学的最新数据，对冻土微生物生态学的研究现状的整合分析，为了解冻土微生物生命策略以及气候变化对冻土微生物及其功能的影响提供了一个平台。
论文ID
原名：The microbial ecology of permafrost
译名：多年冻土的微生物生态学
期刊：Nature review microbiology
IF：31.851
发表时间：2014年
通信作者： Janet K. Jansson
通信作者单位：哥本哈根大学
综述内容
地球上有25%的土地被永久冻土（经典定义是连续至少两年仍保持冻结的土壤）覆盖。基于当时的地理位置和气候条件，现在的冻土其地表最初并没有被冻结，可能被植被或水覆盖。其地表上的一些动植物和微生物生物量在富含二氧化碳的时期得到生长积累，而在冰川活动期间被保存在冻土中。这一过程虽然会使植物和动物面临死亡，但许多微生物仍能够适应寒冷环境甚至保持活性。近年来，多年冻土地区将受到全球气温升高的影响，其冻土融化不仅会促进土壤中微生物的活性，而且还会释放大量的碳和营养物质，用于促进冻土微生物的生长。本文基于现阶段对冻土环境以及冻土微生物生态学的研究现状进行总结，为进一步的研究提供依据。
1 全球多年冻土地区
多年冻土是一种结构不均匀的生境。不同地点的冻土类型、结构、有机质含量及年龄也存在差异。永久冻土与所有其他生境不同，其表面覆盖着一个暴露在季节性的冻-融循环中的“活动层”，其厚度从几厘米到几米不等。由于全球变暖，活动层的深度在许多地方都在增加，导致在其下方的永久冻土层减少。
冻土在全球范围内分布广泛，这些冻土温度差异较大，北极的−2°C到−10°C不等，有些地点低于−15°C。在南极，尽管有0.36%的地区没有冰层覆盖，但仍具有冻土的存在。这些冻土深度可达680米，温度介于−1.8°C和−24°C之间，但其活动层表现出一种增稠趋势（每年1厘米），与在北极发现的空气变暖的速率相似。
由于特有的温度变化，冻土生态系统可以形成多种地形风貌，如解冻层、地下冰楔、冰丘以及霜冻沸腾等。由于冰楔内部的膨胀通过将上覆景观分成高中心多边形或低中心多边形来影响其上覆景观（图1 a–d）。冰楔在南极和北极都有存在，但南极通常都很小（宽度不超过0.6米，深度不超过1米），而在北极它们的宽度可以从0.002米到4米不等，深度可达几米。同样，由于夏季较严重或南极洲干旱的缘故，冰丘在南极的分布也比北极少得多。此外，由于冻结期间水膨胀的差异，也会造成霜冻沸腾或无分类疏生土壤圈的形成（图1 e），而碳和氮在霜冻沸腾中的分布是不均匀的，并且集中在冻胀层之间的凹陷中。
由于气候变化，北极野火现象增多，这将导致土壤表面升温，近地表永久冻土的连续解冻。因此，在考虑北方生态系统永久冻土稳定性的长期动态时，火灾是一个需要考虑的主要因素，火灾介导的快速冻土融化和随后的冻土水的排放可以使土壤更加干燥，并改变生物地球化学循环过程。
图1 冻土解冻和低温作用引起的景观变化
图2 高原以及低洼地区冻土解冻特征
2 永久冻土作为微生物栖息地
永久冻土是地球上微生物生命的独特栖息地，被认为是古老的活细胞的巨大储存库。远古病毒基因和苔藓物种从冻土中再生，说明在冻土状态下可以保存微生物生命。基于“Snowball Earth”假说，地球在6.5亿年前已经完全冻结了一次或多次，所以微生物必须能够适应零下的温度才能继续生活。永久冻土也被认为是用于探究生命在寒冷星球上（包括火星）生活的一个例子。
一般来说，由于冻土结构的非均一性，在冻土中发现的微生物的多样性和组成有相当大的差异。由于微生物是从通过土壤渗出的水中浓缩而来，因此冰楔被认为具有较高的细胞丰度。在霜冻中，由于碳、氮的浓度和排水量的不同，微生物的组成也是不均匀的。
3 多年冻土微生物寿命限制
多年冻土中的微生物通常被归类为嗜冷微生物，它们能够在-17°C到10°C之间低温下生长和繁殖。在一般的低温环境中，温度和水的可用性被认为是决定生物量水平、细菌多样性和群落结构的最重要的因素。在寒冷的温度下，蛋白质易发生冷变性，细胞膜经常失去流动性，从而影响营养物质的运输，而核酸更稳定，这将导致复制、转录和翻译受到抑制。
微生物为了在0°C以下生存而进化拥有细胞膜流动性的调节、适冷性蛋白等对策适应环境以保持活性。这些包括进入低代谢活性的休眠状态，产生特殊的蛋白质或其他分子，使细胞得以生存。
4 微生物多样性和群落组成
永久冻土虽不适合人类居住，但它实际上承载着大量的微生物生命（图3）。基于16S rRNA高通量测序对冻土微生物进行研究，早期数据表明冻土中的微生物多样性与活跃层中相当，但近期从北极地区获得的数据表明，冻土中的微生物多样性低于表层活跃层土壤中的微生物多样性。这可能是由于对细胞具有高度的选择性，这些细胞能够在零下条件下长期存活。但这都是基于保存冻土的低温条件也是保存DNA的理想条件，因此，并非所有被检测到的序列都可能代表活跃的，或具有活性的细胞。
16S rRNA测序表明，北极和南极冻土微生物分属于不同功能细菌，其中多数为厌氧菌，包括acetoclastic methanogens、hydrogenotrophic methanogens、铁(Ⅲ)还原剂和反硝化细菌。此外，冻土的细菌多样性普遍高于古菌或真菌。门水平上多分属于变形菌门、厚壁菌门、绿弯菌门、酸杆菌门、放线菌门等。
图3 不同地理位置多年冻土的微生物组成。根据16 SrRNA基因分类分析不同冻土环境中细菌的分类分布（a）；在域水平上在Hess Creek两个样本多年冻土的系统发育特征（b）；在门水平上Hess Creek两个样本多年冻土的系统发育特征（c）
5 冻土分离培养物
有关冻土微生物代谢的许多资料，都是从丰富的培养物和来自不同永久冻土生境的纯培养分离物的研究中得到的。目前多数分离到的细菌都属于厚壁菌门和放线菌门，此外还包括拟杆菌门，变形菌门等细菌。
西伯利亚永久冻土中有大量的活菌。西伯利亚地区作为最古老的冻土区之一，在其中分离得到Exiguobacterium sibiricum 255-15以及6株碳酸菌属细菌。这项研究是为了模拟火星上的生命而进行的(BOX 1)，并推动了我们星球上已知的陆地生命的边界条件。除细菌外，还同样分离得到包括Methanobacterium veterum和Methanobacterium arcticum在内的几种古菌，表明永久冻土是一种有利于甲烷发生的环境。真菌分离培养中，可分离得到Geomyces，Cladosporium以及Aspergillus genera等真菌属，这些真菌大多能形成孢子，可以在永久冻土中长期处于休眠状态。
基于微生物生长的热力学模型预测以及实验室研究发现，冻土中分离得到的微生物其新陈代谢可能发生在接近-40°C温度下进行。通过研究发现，嗜冷性微生物基因组具有并表达了一些编码冷生存所需特征的基因，包括维持膜流动性所需的基因、产生包括多糖和相容溶质在内的冷冻保护剂以及对RNA转录和蛋白质折叠的修饰。
6 多年冻土宏基因组学
宏基因组学可以揭示不同微生物群落功能以及不同生化途径，包括未知和未鉴定的细菌属。迄今为止，共5份有关冻土宏基因组学的研究。研究发现冻土中包含许多来自不同生物的碳循环和氮循环的基因，包括几丁质酶、纤维二糖、β-葡萄糖苷酶和β-半乳糖苷酶在内的碳化合物降解的基因。此外，在永久冻土层中发现了Ⅰ型和Ⅱ型甲烷富营养菌和产甲烷古菌的功能通路，这表明它们具有甲烷产生和氧化的反馈系统。同时，还鉴定到许多未鉴定到的群落结构；如，我们以前从永久冻土变体序列中构建了一个新的甲烷源基因组文库。
多年冻土宏基因组的研究也揭示了大部分参与氮循环不同步骤的基因，包括参与硝酸盐还原和硝酸盐和氨同化的基因。总的来说，目前已有的数据表明，多年冻土是一个具有巨大碳处理代谢潜力的基因库，包括发酵和产甲烷的途径。然而，在分析从指定地点复制的永久冻土样本时，有相当大的差异需要考虑。
7 多年冻土中的微生物活性
通过在实验室孵育和原位测定两种方式，测量气体通量或吸收/掺入标记底物，评价多年冻土中的微生物活性。研究证明冻土柱在0°C到−33°C的温度下与14C-葡萄糖共同孵育，产生的二氧化碳比对照组高两个数量级，这表明了微生物的活性。
通过测量加拿大冻土带的CO2排放量，研究发现，在冬季后期在被冰楔覆盖的多边形槽中，CO2通量高于多边形中心，表明在零度以下，存在持续活跃的微生物种群。冰楔的形成被认为是近零度下观察到的微生物呼吸的重要决定因素，并通过高通量测序数据得以佐证。
8 多年冻土微生物生态与气候变化
由于人们担心解冻对冻土中有机物被微生物利用的影响，从而有可能释放出温室气体CO2、CH4和N2O，冻土环境中微生物生态学最近成为研究的焦点。目前在多年冻土中的有机碳总量估计为1672 Pg，约为植被和大气中的总量。随着冻土融化，使得有机物与微生物接触更充分，微生物多样性和活性也随之增加，这可能导致对温室效应具有促进作用。
多年冻土融化的长期后果尚不清楚，一种解释长期低预测碳排放率的假设是，多年冻土沉积物中的碳大多处于缓慢降解的碳库中。为了解决有机碳对微生物矿化敏感性的不确定性，有必要进一步研究不同冻土区的碳沉积情况。有研究发现，冻土在解冻两天后，基因组成迅速变化，同时甲烷和二氧化碳都被释放出来，但在不同的地理位置和不同类型的永久冻土特征中，这些过程将如何受到融化的影响，仍然存在很大的不确定性。
基于气候变化国际小组评估报告预测，北极地区的地面平均气温升高将导致北极生态系统的变化，包括多年冻土融化。虽然发展预测性全球气候变化模型受到重视，但这些模型缺乏对微生物过程的考虑。未来的研究应该集中在更好地了解不同的永久冻土中微生物类型以及其生理学。利用高通量测序技术和其他“组学”方法，结合地球化学和微生物过程进行整合分析，进一步了解永久冻土微生物群落的成员，了解他们的功能作用以及他们如何应对气候变化，才能真正提高对这些生态系统的了解。由于多年冻土生态系统的复杂性，许多变量仍有待评估，此外，微生物对环境变化的许多间接影响还有待理解。
冻土作为地球陆地冰层的主要组成部分，同时冻土生态环境也是地球上微生物生命的独特栖息地。但近年来环境温度的升高影响了冻土层厚度，对温室气体的释放具有促进作用。作者基于目前的最新数据，对冻土生态环境进行介绍，对冻土微生物生态学的研究现状的整合分析，为了解冻土微生物生命策略以及气候变化对冻土微生物及其功能的影响提供了一个平台。通过研究成果的信息整合与分析，作者提出在有关冻土生态环境，以及其与气候变化的研究应将多学科相结合，同时也应充分考虑冻土环境结构不均一性，结构复杂性的特点。