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宏基因组文献解读|原核钴酰胺生产者的全球地理分布和生态研究

 

简介

 

钴酰胺(Cobamides)作为一类仅被部分原核生物合成的不可或缺的辅酶,在微生物互作研究中充当模型营养素,同时在全球生态系统中扮演着关键角色。尽管如此,其空间分布特征及其具体功能作用机制尚不完全明了。本研究详细分析了2,862份海洋和2,979份土壤宏基因组样本,对钴酰胺生产微生物进行了深度探索。研究中共识别并组装出1,934个可能独立合成钴酰胺的非冗余宏基因组组装基因组(MAGs),这些MAGs在分类学上呈现多样性且具有特定的生态位适应性。值得注意的是,我们观察到钴酰胺生产者丰度与其所在微生物群落的多样性和功能性之间存在显著且积极的关联,以及它们在关键生物地球化学循环中的促进效应。这些新发现阐明了钴酰胺生产微生物在全球海洋与土壤生态系统中的地理分布格局及其潜在的生态意义,加深了对大规模微生物交互作用机制的认知。

 

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英文标题:Global biogeography and ecological implications of cobamide-producing prokaryotes

中文标题:原核钴酰胺生产者的全球地理分布和生态研究

发表期刊:The ISME Journal

影响因子:11

发表时间:2024年01月

作者及单位:葛源团队,中科院城市与区域生态国家重点实验室

 

技术路线 

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图1 本研究的技术路线

 

1. 钴酰胺生产者分类多样性与生态位特异性

 

 

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图2 海洋(a)与土壤(c)环境中回收的MAGs中潜在钴酰胺生产者与消费者的比例,以及基于海洋(b)与土壤(d)样本的八种最丰富钴酰胺依赖途径的MAGs数量的UpSet图

 

 

分别从2,862个海洋环境和2,979个土壤环境中回收了8,358个和3,184个基因组质量得分超过50的MAG。这些MAG被分为四类产生钴酰胺的细菌:可能性较高的生产者(very-likely producer)、可能性中等的生产者(likely-producer),可能性较低的生产者(possible-producer)或非生产者(nonproducer)。前三类MAG被认为是潜在的钴酰胺生产者。共有2,992个海洋MAG和1,795个土壤MAG被确定为钴酰胺的潜在生产者,分别占所有回收的海洋和土壤MAG的35.8%和56.4%(图2a和c)。结果显示,海洋中钴酰胺生产者的比例低于土壤环境中的比例(图2b和d)。

 

 

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图3潜在钴酰胺生产者nrMAG的系统发育树(使用GTDB Tk)

 

从土壤和海洋生态中筛选出的所有钴酰胺生成MAG,经去冗余处理后共得到1,934个非冗余宏基因组组装基因组(nrMAG),展示出跨越43个门类和777个不同属的高度分类多样性(图3a),确认了钴酰胺生产者广泛分布于多个进化枝系的特性。这些nrMAGs显示出对特定生态环境的适应性偏好,体现在仅有17个门类和27个属存在于两种环境之中(图3c),且某些门类仅限于单一环境(例如,Acidobacteriota仅在土壤中发现,而SAR324仅存在于海洋环境,图3a)。更重要的是,主导的门类随生境改变:海洋中的钴酰胺生产者nrMAGs以变形菌门(68.9%)和Bacteroidota(6.9%)为主导,而在土壤环境中,则是变形菌门和Actinobacteriota(24.2%)占据主导。

 

2.钴酰胺生产者全球丰度分布图谱

 

 

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图4 全球钴酰胺生产者丰度图谱

 

 

研究发现,海洋微生物中的钴酰胺生产者的丰度随纬度变化有明显的规律,并且在不同区域有显著差异(图4a)。其中大西洋和印度洋靠近赤道的地方丰度最高,而南极半岛和挪威海周围的极地则丰度最低。同样,土壤环境中的钴酰胺生产者分布同样展现出沿纬度变化的趋势,赤道邻近地带丰度较低,中纬度地区(约±40°)达到峰值(图4b)。欧洲、美国北部及中国东北部区域钴酰胺生产者的丰度最高;亚马逊雨林及非洲等地的钴酰胺生产者丰度较低。除纬度这一地理因素外,钴酰胺生产者的分布变化还受气候变量(如降水量与温度)、环境因素(pH值)及营养条件的多重影响。

 

值得注意的是,表层土壤(深度≤30厘米)内钴酰胺生产者的相对丰度明显高于海洋表层(深度≤100米)。具体到物种组成层面,表层海水样本显示变形菌门为钴酰胺生产者中最主要的门类,占比40.0%,其次是放线菌门(22.3%)和热原菌门(20.3%)(图4c)。而对于表层土壤样本,放线菌门为最主要门类(30.1%),其次是热原菌门(占28.1%),而变形菌门在土壤中的比例则降到了10.1%(图4d)。物种丰度结果与钴酰胺生物合成基因的丰度分布稍有偏差,变形菌门的生物合成基因比热原菌门更为丰富。

 

3. 钴酰胺生产者具有潜在的多功能性

 

 

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图5基于每个MAG中代谢途径之间的差异

 

为探究钴酰胺生产者与非生产者两个群体间的代谢相互依存性,我们对每个MAG内的代谢通路进行了鉴定。研究表明钴酰胺生产者不仅在钴酰胺合成通路方面显示出更高的识别率,而且跨生态环境普遍表现出更广泛的代谢多样性富集,涵盖了诸如尿素代谢利用、氨基酸合成等多种生物化学过程(图5)。此外,无论是在海洋还是土壤环境,钴酰胺生产者的MAG基因组大小显著大于非生产者的MAG。这些生产者的代谢途径更加完整,缺失情况较少。此外,钴酰胺生产者拥有更多的氮、硫循环通路基因。总的来说,本研究深入探讨了钴酰胺生产者在海洋及土壤生态系统中可能发挥的生态功能。

 

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图6 钴酰胺生产者的丰度与功能途径的相对丰度相关性图

 

研究结果显示,钴酰胺生产者在海洋和土壤环境中的数量与群落的α多样性和β多样性指标呈现出正相关,且这种相关性在海洋系统中更为显著(图6)。通过回归分析和Mantel检验。研究发现钴酰胺生产者与群落功能之间存在重要联系,尤其是与若干代谢产物的生物合成路径紧密相关。

 

此外,我们还观察到钴酰胺生产者在两种环境——海洋和土壤中的丰度与绝大多数微生物参与的氮循环和硫循环过程呈现存在相同的关联趋势。这包括同化硝酸盐还原(ANR)、异化硝酸盐还原(DNR)、有机硫转化(OST)等多种过程,表明了钴酰胺生产者在促进这些关键营养元素循环中的潜在作用。尽管在磷循环过程中存在相关性,但其在土壤中不如在海洋中显著(P > 0.05)。这些发现共同描绘了钴酰胺生产者在全球两大主要生物圈层内不仅丰富多样,而且在支撑生态系统功能方面扮演着关键角色的生态画面。

 

参考文献:

Jichen Wang, Yong-Guan Zhu, James M Tiedje, Yuan Ge, Global biogeography and ecological implications of cobamide-producing prokaryotes,The ISME Journal, Volume 18, Issue 1, January 2024, wrae009 


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