南极罗斯海微生物群落的垂直结构与功能多样性：揭示极地海洋生物地球化学过程的新视角

本研究针对南极罗斯海水体微生物群落垂直分布与功能分化机制不明确的问题，通过多站点分层采样和16S rRNA测序技术，揭示了微生物群落存在显著的垂直分层现象：表层以快速生长的异养类群（如Pseudoalteromonas）为主，α多样性较低；深层微生物 richness 增加，稀有类群（如SAR324）在难降解有机质循环中发挥关键作用。功能预测（PICRUSt2）显示有机质代谢通路在表层富集，而甾体合成等通路在深层显著增强。该研究阐明了垂直连通性和有机质组成对极地微生物群落构建及生物地球化学循环的驱动作用，对理解气候变化下极地海洋生态系统功能具有重要意义。

　　

在南极这片冰雪覆盖的纯净世界，罗斯海被称为"南极海洋的生物绿洲"。尽管只占南大洋面积的很小一部分，它却贡献了整个南极洲25%-30%的初级生产力，同时也是全球底层水形成的关键区域。这些底层水如同海洋中的"传送带"，驱动着全球的温盐环流，调节着地球的气候系统。在这片寒冷而富饶的海域中，微小的微生物扮演着看不见却至关重要的角色——它们分解有机物质，驱动碳循环，维持着整个生态系统的运转。

然而，科学家们对这片特殊海域的微生物世界仍知之甚少。特别是在全球气候变化的背景下，冰川融化、水温变化如何影响微生物群落的分布和功能？不同水层中的微生物如何协作完成有机质的转化和循环？这些问题一直困扰着极地生态学家。更令人困惑的是，先前的研究发现罗斯海微生物群落在水平方向上差异不大，但在垂直深度上却表现出明显的变化，这种分层现象背后隐藏着怎样的生态学机制？

为了解开这些谜题，由In-Cheol Yeo、Kyu-Young Shim等研究人员组成的团队在《Microbial Ecology》上发表了一项开创性研究。他们乘坐韩国极地研究所的RVIB Araon号破冰船，于2023年1月深入罗斯海，在五个站点采集了从表层到底层的海水样本，涵盖了南极表层水（AASW）、环极地深层水（CDW）和陆架水（SW）等不同水团。研究人员通过高通量16S rRNA测序技术解析微生物群落组成，并运用PICRUSt2工具预测功能潜能，同时结合多种生物地球化学参数测量，揭示了微生物在极地海洋中的垂直分布规律和功能分化特征。

研究采用了多学科交叉的技术方法：通过CTD采水器进行分层采样，使用CHN元素分析仪测定颗粒有机碳（POC）和颗粒有机氮（PON）浓度，采用荧光计测量叶绿素a含量，利用自动分析仪检测无机营养盐。微生物DNA提取后，针对16S rRNA基因V3-V4区进行扩增和Illumina MiSeq测序，通过QIIME2和DADA2流程处理序列并获得ASVs（扩增子序列变异），最后使用PICRUSt2预测功能通路并与KEGG数据库比对。

微生物群落的垂直分布格局

研究发现微生物群落存在明显的垂直分层现象。表层和深叶绿素最大层（DCM）的微生物多样性较低，而中深层和底层水体的微生物丰富度显著增加。通过非度量多维尺度分析（NMDS）显示，不同深度微生物群落组成差异显著（PERMANOVA，P<0.05），而站点间的水平变异不显著。优势菌属Pseudoalteromonas在所有深度和站点均有分布，但其相对丰度从表层向底层逐渐降低。

垂直连通性与微生物扩散

研究追踪了每个ASV（扩增子序列变异）的初始出现深度，发现大多数在表层检测到的微生物也出现在更深层中。相反，一些仅在深层出现的微生物在表层和DCM层中缺失。特别值得注意的是，深层微生物群落主要由来自较浅水层的ASVs组成，表明通过水体平流和颗粒沉降的垂直微生物扩散在塑造深层微生物群落中起关键作用。

功能多样性的深度相关模式

对216条预测代谢通路的分析显示，与有机质代谢相关的19条通路表现出明显的深度分化模式。表层富集了与半胱氨酸、蛋氨酸代谢以及核黄素代谢相关的通路，而深层则显著增强了精氨酸和D-鸟氨酸代谢以及甾体生物合成通路（Mann-Whitney U检验，P<0.05）。碳水化合物消化吸收和甾体激素生物合成在DCM层附近呈现下降趋势。Mantel检验表明，这些代谢通路与颗粒有机碳（POC）和颗粒有机氮（PON）浓度显著相关（平均R2=0.48，P=0.004），表明有机质可用性是驱动微生物功能分化的主要因素。

研究结论表明，罗斯海微生物群落呈现出明显的垂直结构特征，这种结构主要由垂直连通性和有机质组成共同驱动。表层水体中丰富的易分解有机质促进了快速生长的异养类群（如Pseudoalteromonas）的繁荣，这些菌株通过分泌多种胞外酶（如脂酶）参与有机质循环。随着深度增加，有机质变得更具难降解性，微生物群落变得更加多样化，稀有类群（如SAR324）在深层水体中成为关键物种，通过甾体生物合成等特殊代谢途径适应高压环境和化学修饰的有机质。

讨论部分强调，微生物通过颗粒沉降和水体平流实现的垂直扩散是连接不同水层生态过程的重要机制。表层产生的有机质通过生物泵作用向深层输送，微生物在沉降过程中不断改变有机质的化学组成，同时自身群落结构也发生相应变化。这种垂直连通性不仅影响了微生物的分布格局，也决定了碳和营养盐的循环路径。在气候变化背景下，理解极地海洋微生物的垂直分布和功能适应性对于预测碳循环变化具有关键意义。该研究为极地海洋微生物生态学和生物地球化学循环研究提供了新的视角，强调了微生物介导的过程在全球海洋碳循环中的核心作用。