高原盐碱湿地微生物功能的环境选择机制：从分类群到代谢功能的生态驱动

这篇研究通过宏基因组测序揭示了青藏高原典型盐碱湿地（Cuochuolong Wetland）中沉积物、根际土壤（Rsurface/Rsubsurface）和本体土壤（Bsurface/Bsubsurface）五种生境下甲烷（CH4）、氮（N）和硫（S）循环功能基因的分布规律，提出极端环境（如盐度梯度）通过确定性过程选择微生物功能而非分类群，功能冗余（functional redundancy）导致分类组成的随机性。研究重构了188个中高质量宏基因组组装基因组（MAGs），发现18个含一氧化氮歧化酶基因（nod）的MAGs可能参与厌氧甲烷氧化（n-DAMO），为全球温室气体减排提供新视角。

　　

引言

高原盐碱湿地作为高海拔、强紫外线、高盐度且对气候变化敏感的极端生态系统，其微生物群落形成机制是生态学研究核心问题。Cuochuolong湿地作为典型代表，近年在气候变暖下快速萎缩，加速了盐渍化与生物多样性丧失。微生物作为关键生物地球化学循环驱动者，其功能分布与群落构建机制对预测生态系统功能至关重要。

结果

生境理化特性

五类生境（沉积物、根际/本体土壤的表层与亚表层）呈现盐度梯度（0.1‰–4.6‰），沉积物盐度最高且有机碳（OC）、NH₄⁺-N显著高于其他生境，而总氮（TN）较低。

功能基因分布

• 甲烷循环：沉积物中产甲烷基因（mcrA）丰度最高，但甲烷氧化潜力最低；根际/本体土壤表层好氧甲烷氧化潜力显著高于亚表层，关键基因mmoX（甲烷单加氧酶）主要源自放线菌目（Pseudonocardiales）。
• 氮循环：反硝化基因（narG、nirK等）丰度随盐度降低而增加，盐度显著抑制该过程；厌氧氨氧化（anammox）基因hzo与盐度负相关。
• 硫循环：硫酸盐还原基因（dsrAB）在低盐生境富集，硫氧化基因（soxB）主要分布于伯克霍尔德菌目（Burkholderiales）。

群落构建机制

• 功能冗余：功能基因分布均匀而分类组成变异显著，如放线菌门（Actinobacteria）在各生境占比24.63%–47.87%，但功能基因（如mcrA）丰度稳定。
• 确定性选择：盐度是驱动功能组成的关键因子（Mantel检验_r>0.5），对功能组成的确定性贡献（48.19%）高于分类组成（32.39%）。

nod基因的发现

从188个MAGs中鉴定出18个含nod基因的基因组，分属酸杆菌门（Acidobacteriota）、γ-变形菌（Gammaproteobacteria）等7个门类，其中13个属未分类物种。这些MAGs同时携带mmoX基因，暗示其可能通过一氧化氮歧化释放氧气驱动厌氧甲烷氧化，但缺乏传统标记基因pmoA。与NCBI数据库比对显示，类似基因组普遍存在nod-mmoX共现模式，而甲基球菌属（Methylocella）虽含mmoX却无nod基因，提示不同氧来源的甲烷氧化途径。

讨论

研究提出“环境筛”模型：盐度等极端条件作为功能过滤器，优先选择代谢功能而非特定物种，功能冗余允许随机分类组成共存。含nod基因微生物的发现拓展了对氮/甲烷循环耦合的认知，其通过歧化一氧化氮生成氧气可能替代传统好氧甲烷氧化途径。

结论

该研究系统解析了高原盐碱湿地微生物功能的环境选择机制，强调了功能冗余在维持生态系统稳定性中的作用，并为全球气候变化下湿地微生物功能预测提供了理论框架。