编译：傻狍子，编辑：小菌菌、江舜尧。
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导读
生命史分类学可以简化微生物的分类学多样性和代谢复杂性。嗜营养菌生长较快并依赖于资源的可用性，而贫营养菌却以增长速度为代价有效地利用了资源。
在这里，我们假设从宏基因组学数据推断出的群落水平性状可以区分嗜营养性和贫营养性微生物群落。此外，我们假设寡营养微生物群落包含更多未注释的基因。
为了检验这些假设，我们对美国亚利桑那州索诺兰沙漠干旱高地地区的食营养丰富的植被区和缺乏植被的贫营养的裸露地面收集的土壤样品进行了宏基因组学分析。
结果支持了我们的假设，结果发现植被中的微生物群落比裸露的土壤具有更高的多种生态学上的生命历史特征，包括平均16S核糖体RNA基因拷贝数，核糖体基因中的密码子使用偏倚和预测的最大生长率更高。裸露土壤中的微生物群落拥有较高比例的基因。总的来说，我们的工作表明，生命历史特征可以将复杂的微生物群落提炼成生态上连贯的单元，并强调贫营养微生物群落可以作为丰富的新功能来源。
原名：Life-history strategies of soil microbial communities in an arid Ecosystem通讯作者：Yongjian Chen，AlbertBarberán本研究于2017年10月，在美国亚利桑那州西部索诺兰沙漠一个由北向南77公里的样条沿线的4个地点采集了土壤样本。横断面穿越干旱-超干旱地区，干燥指数为0.041 ~ 0.052。在每个样条中，在植被斑块下和无植被裸地区采集两个复合土壤样品，共采集了24个土壤样品。对于每个样本，将一个子样本放入灭菌的试管中，保存在−80℃直到DNA提取，剩余的土壤用于土壤理化分析。利用试剂盒提取土壤基因组DNA，并利用Illumina MiSeq平台对16S rRNA基因的V4区域进行测序。对原始读取进行预处理，去除短于50 bp和低质量碱基后剩余69,333,926到356,676,854个读数。使用Megahit v. 1.1.4重新组装每个样本的读数，利用Prodigal v.2.6对组装的超过500 bp的contigs进行蛋白编码基因预测。所有样本的基因用MMseqs2以≥95%的一致性和≥90%的重叠进行聚类。结果得到一个包含32,930,898个非冗余基因的目录。使用GhostKOALA比对京都基因与KEGG数据库，对基因的功能信息进行注释。对于每个土壤样品，我们从宏基因组学数据中计算出一组特征，以阐明微生物的生命史策略。首先，我们按照PereiraFlores等人的方法估算了16S rRNA的平均拷贝数和平均基因组大小。其次，我们按照Vieira-Silva＆Rocha的描述计算了核糖体基因的密码子使用偏倚和最短生成时间。如Vieira-Silva＆Rocha中所述，使用密码子使用偏倚来预测最短生成时间。然后，我们将最大增长率计算为最小生成时间（h-1）的倒数。第三，如Barberán等人所述，我们计算了质量过滤的读数的GC含量和GC含量的方差。最后，在R中进行了统计分析，为了检验裸地和植被土壤中微生物生活史性状的差异，使用lme4和lmerTest包，使用线性混合效应模型拟合生活史性状值作为土壤环境(即裸地和植被土壤)的函数。土壤环境作为固定效应，场地作为随机效应。固定效应的R2-值是根据Nakagawa和Schielzeth估计的。我们使用DESeq2包中实施的负二项分布模型来识别裸地或植被土壤中显著丰富的KEGG路径。多次检验的p值使用benjaminii - hochberg方法进行校正。为了探究裸地和植被土壤中未注释基因的潜在来源，检测了未注释的基因比例与未在不同分类水平(门、类、目、科、属和种)上分类的系统类型比例之间的相关性。并计算了没有eggNOG注释的基因比例，重复了相关分析。
1. 生命历史特征
植被中的总有机碳，溶解有机碳，溶解氮和生物有效性磷的含量明显高于裸土。植被区较高的土壤养分利用率主要归因于荒漠植物（例如凋落物和根系分泌物）对土壤养分的影响，这被称为肥力岛效应。相反，在没有植被的裸露地面上则没有这种效果。特别是，裸露土地上的低氮利用率被认为是干旱生态系统中生态系统生产力的主要限制因素。因此，我们的结果表明，植被土壤代表贫营养环境，裸露土壤代表贫营养环境。植被土壤中的微生物群落比裸露土壤中的微生物群落具有更高的平均16S rRNA基因拷贝数。这表明，与裸露土壤中的微生物相比，植被覆盖地区的土壤微生物具有更高的细胞核糖体含量。此外，植被斑块下的微生物在其核糖体基因中表现出更大的密码子倾向。植被土壤中更大的密码子使用代表了核糖体基因密码子的不同偏好，因为核糖体基因在快速生长过程中高度表达。结果，我们发现植被土壤中微生物群落的最大生长速率高于裸露土壤中微生物群落的最大生长速率（图1）。这些性状比较的结果表明，植被土壤中的高资源条件有利于营养丰富的微生物群落，而贫瘠的土壤微生物群落资源稀缺。与我们的假设相符，这些生活史特征在区分营养型和营养型微生物群落方面起着关键作用。裸露和植被土壤中微生物群落之间的平均基因组大小没有显着差异（图1）。在水生生境中的大多数研究表明，寡营养生物倾向于具有较小的基因组，而一项草原研究表明，土壤营养生物具有较小的基因组，表明选择压力对基因组大小的栖息地差异，基因组大小估计的不同方法或群落与物种/基因组水平比较之间的差异。此外，裸露土壤中的微生物群落具有较高的GC含量。较高的基因组GC含量可以增强微生物的耐热性，因为GC碱基对以其高热稳定性而闻名。这种耐热性特别适合裸露土壤中的寡养生物，因为它们暴露于更高的辐射和温度下。裸露的土壤中较高的GC含量也反映于放线菌的相对丰度更高。放线菌的成员代表了丰富的GC丰富的分类单元的明确定义，并且它们对干燥的独特耐受性有助于它们在沙漠土壤中的广泛分布。此外，裸土微生物群落的基因组GC含量变化较小，这表明裸土中的胁迫环境会富集具有相似GC含量的微生物，并限制了其变异性。基于特征的方法引起了人们对微生物生态学的新兴趣，但是微生物特征和特征测量的复杂性使得基于特征的微生物研究之间的整合和泛化具有挑战性。此外，众所周知，微生物可以根据嗜营养-寡营养框架分为广泛的生态类别。一方面，平均16S rRNA拷贝数，核糖体基因中的密码子使用偏倚和最大生长速率可作为普遍的和机械的生命历史特征，将微生物群落分类为快速生长的营养型群落或缓慢生长的贫营养型群落。更普遍地讲，这些生命历史特征可以将古营养型-贫营养型二分法扩展到一个从古营养型到贫营养型微生物群落的连续体，这类似于“快慢”的植物经济学谱系。我们主张，将这种基于特征的方法建立在已建立的生命历史框架中，将有助于建立更机械的微生物对不断变化的环境条件的反应图。例如，最近的研究表明，微生物生长相关性状的变化可以解释与资源可用性变化相关的演替轨迹。另一方面，平均基因组大小，GC含量和GC变异代表了营养型和营养型群落的生境特异性。例如，GC含量和GC差异反映了沙漠土壤的耐热性。但是，值得注意的是，这些性状没有考虑到特定物种的丰富性或种内性状的差异，这一局限性应在未来的研究中加以解决。尽管有这些限制，这些特征仍有助于比较不同环境下微生物的生命史策略，并有望将复杂的微生物群落提炼成重要的生态属性。
图1 微生物生活史特征。箱形图显示了裸土和植被土壤之间生命历史特征值的比较。这些箱形图的中位数如下（裸土与植被土）：16S rRNA平均拷贝数（3.34vs 3.74），密码子偏倚（0.0178 vs 0.0180），最大生长速率（0.093 h-1 vs 0.102 h-1），平均基因组大小（5.48 Mb vs5.58 Mb），GC含量（68.06％vs 67.39％） ，GC含量的变化（56.84对70.96）。具有相反生活史策略的微生物群落表现出不同的功能属性（图2a）。裸露土壤微生物的代谢功能相关基因的相对丰度更高，表明代谢的多功能性是贫营养微生物群落的基本特征。这种新陈代谢的多功能性可能反映了寡养菌应对资源短缺的重要适应策略。例如，尽管植物来源的碳输入在裸露的土壤中很少见，但裸露的土壤微生物具有更丰富的基因，与代谢广泛的糖类有关，包括戊糖，氨基糖，核苷酸糖等（图2b）。该观察结果与先前的研究相一致，表明贫营养菌可能具有清除各种碳底物的能力。此外，裸露土壤中的微生物具有更多的编码同源重组，碱基切除修复，核苷酸切除修复和错配修复的基因，可能代表了耐胁迫性状，通过防止辐射诱导的DNA损伤，寡核苷酸可以保持基因组完整性（图2c）。我们进一步发现最大生长速率与参与DNA修复的基因的相对丰度负相关。该结果反映了增长率与抵抗力之间的权衡，贫营养生物以牺牲增长速度为代价，将更多资源分配给抗逆性。植被土壤中的微生物群落相对大量的环境信息处理相关基因（图2a）。编码ATP结合盒转运蛋白（ABC-转运蛋白）和磷酸转移酶系统中的转运蛋白（PTS;图2d）的基因的相对丰度将促进土壤营养菌吸收土壤或植物根系分泌物中容易获得的细胞外化合物。编码两组分系统的基因的富集可能有助于嗜食生物对环境条件的变化进行感应和响应。此外，较大比例的编码鞭毛装配和趋化性的基因可能代表植被土壤中食腐生物的能动性特征。虽然人们广泛认为细胞运动是水生生栖生物的重要特征，但对于植被土壤中的生物来说，它可能被认为根际微生物群落的成员。
图2 微生物群落的功能属性。条形图表示裸土和植被土壤之间KEGG途径的平均相对丰度差异。根据DESeq2分析，仅显示那些在裸露土壤（黄色）或植被土壤（绿色）中显着丰富的KEGG途径（FDR校正后P <0.05）。KEGG注释结果显示，未注释基因的比例在样本中为57％至60％（图3a）。这表明在沙漠土壤微生物中对功能属性的描述仍然很少。裸露土壤中微生物群落未注释基因的比例高于植被土壤中未注释基因的比例（图3a）。此外，裸土中有较高比例的16S rRNA系统型在不同分类标准下未分类。这些结果可以归因于寡养生物比同食生物不太容易培养，因此它们的分类学和功能信息在目前的参考数据库中不足。因此，裸露的土壤可作为干旱生态系统中未表征的微生物分类和功能多样性的储存库。为了支持我们的假设，表明，与营养缺陷型微生物群落相比，营养缺陷型微生物群落具有更多的未注释基因。基因-功能关系的实验表征是解决未注释基因的最有前途的方法，但是它是劳动密集型的。开发一种确定最可能引起未注释基因的物种的策略的开发可以为优先考虑微生物成员提供实际提示。实验研究。在这项研究中，我们发现在营养型和营养型微生物群落中，未注释基因的主要来源不同（图3b）。对于植被土壤中的营养缺陷型群落，我们发现未注释基因的比例与不同分类学水平上未分类16S rRNA系统型的比例成正相关（图3b），提示嗜食生物中未注释的基因可能源自未分类的嗜食动物。换句话说，分类学已知的共营养生物最有可能具有可用的基因组信息。尽管我们不排除存在某些分类生物已知但没有参考基因组的古生物的可能性，但我们的结果表明，获得古生物新基因的最有效方法是培养分类学未知古生物的分离株并研究其基因功能。相反，在裸露土壤的贫营养群落中，我们发现未注释基因的比例与未分类的16S rRNA系统型的比例无关。一个合理的解释是，寡养生物中的未注释基因来自两个来源：（ii）在分类学上已知但没有可用的基因组信息的寡养生物。因此，寡营养生物的新基因隐藏在视线中：我们应该优先研究分类学上已知的寡营养生物的基因。这些相关分析为解开未注释的基因提供了初步的策略，需要更复杂的计算方法来优先处理富含未注释基因的微生物谱系
图3 未注释基因的潜在来源。对于每个样品，将未注释基因的比例测量为没有KEGG注释的基因数除以基因总数，将在不同分类学水平下未分类的16S rRNA系统型的比例除以未分类的16S rRNA系统型的数量除以 16S rRNA系统型总数。a比较裸露（中位数= 58.68％）和植被土壤（中位数= 58.28％）中没有KEGG注释的基因的比例。b将没有KEGG注释的基因比例与不同分类学水平上未分类系统型的比例相关。结果显示了皮尔森相关性。
宏基因组学极大地扩展了我们表征微生物功能能力的能力，但在提供新的生态见解方面仍然受到限制。我们证明了从宏基因组学数据推断出的多种生态学上的特征可以促进嗜生物-寡营养菌框架内微生物群落的基于特征的表征。这种基于特征的分类为降低微生物群落的复杂性提供了新的机会。例如，可以通过对社区一级的生态策略进行分类来简化跨不同地理区域变化的微生物群落。此外，我们表明，营养缺陷型微生物群落比营养缺陷型微生物群落具有更高比例的功能未知基因。我们提供了初步的策略来解开这些未知基因。在营养型群落中，应优先考虑分类学上未知的系统型，而在营养缺陷型群落中，应优先考虑分类学上已知的系统型。随着跨广泛的生态系统生成的宏基因组学数据越来越多，未来工作的重要途径将是促进我们结果的全球整合和概括。
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