查帕拉尔野火重塑土壤微生物功能潜力：促进吡咯有机质降解与氮循环的功能演替

本综述深入探讨了野火后土壤微生物组的功能动态，揭示了火后细菌群落通过功能演替（functional succession）高效利用吡咯有机质（Pyrogenic Organic Matter, PyOM）作为碳源，并显著增强氮（N）保留过程（如DNRA和同化硝酸盐还原），从而驱动生态系统碳（C）和氮（N）循环恢复的关键机制。

　　

Highlight

野火显著改变了火灾后五个时间点（从火灾后两周到一年）的土壤细菌基因组功能潜力，这与细菌群落组成的显著变化相呼应。值得注意的是，在燃烧过的地块中，PyOM降解的基因组潜力随着时间的推移逐渐增加，而邻位裂解（ortho-cleavage）的儿茶酚和原儿茶酸途径（即β-酮己二酸途径）成为细菌降解PyOM的主要机制。与此同时，燃烧地块中氮循环基因随时间增加，与硝化作用相关的基因显著增加，并且基因丰度向与氮保留相关的基因转变，例如促进NO₃^-转化为微生物生物量以及NO₂^-转化为NH₃。最后，PyOM降解和氮循环功能基因的增加与嗜火细菌属（包括Massilia和Noviherbaspirillum）的优势地位相吻合，每个属都编码了独特的PyOM和氮循环途径。这些发现表明，资源获取特性驱动了火后土壤中的细菌次生演替，强调了嗜火微生物在塑造土壤碳氮动态和促进火后功能恢复方面的关键作用。

Pyrophilous bacteria drive PyOM degradation through ortho-cleavage pathways

我们先前假设，火后微生物演替从最初耐热微生物的优势地位转变为快速定殖者，最终演变为能够利用火后资源（如N和PyOM）的微生物。利用宏基因组数据，我们证实了这一假设，揭示了在燃烧而非未燃烧的地块中，PyOM降解基因的丰度随时间增加，这与细菌物种丰富度和多样性的恢复相一致。这表明成功的火后菌属需要PyOM降解的代谢途径才能建立并在火后系统中占据主导地位。

火后演替涉及碳利用的功能性转变，早期定殖者偏好易分解碳，而后期的类群则转向更复杂的芳香族碳源。在最初的17-25天，编码乙酸代谢（一种普遍存在的火后易分解碳源）基因的细菌变得占主导地位，表明早期演替细菌装备精良，能够降解易分解碳源以支持快速生长和占据优势。随着易分解碳的减少，细菌群落转变为能够降解复杂芳香族碳源（如PyOM）的类群。事实上，到火灾后131天，编码多种PyOM降解基因的类群，如Noviherbaspirillum和Massilia，成为主导，这支持了使用PyOM处理的研究和培养实验的结果，这些结果突出了这些属在利用PyOM作为碳源方面的作用。

在我们的研究中，Noviherbaspirillum的相对丰度随时间增加，在火灾后131天和376天主导了16S序列，而Massilia在整个一年中始终保持优势地位。时间上的差异可能反映了它们的生长差异和不同的PyOM降解策略。Massilia是一种快速生长的细菌，它使用更简单的儿茶酚和β-酮己二酸邻位裂解途径，可以立即获取碳资源，这可以解释其早期（最快34天）和持续的优势地位。相比之下，Noviherbaspirillum依赖于更复杂的原儿茶酸邻位和间位裂解途径，由于其调控复杂性，这是一个较慢的过程。由于原儿茶酸途径也与生长滞后和底物利用延迟有关，这可能潜在解释了Noviherbaspirillum出现较晚的原因，它可能需要更长时间来适应并开始有效降解PyOM。这些发现表明，微生物类群在火后的成功取决于它们利用不同碳源的能力，一些类群由于其代谢途径而能更快地适应可用资源。总之，这些发现表明，火后环境中的微生物演替和优势地位受到对易分解碳和PyOM随时间变化的不同降解途径的功能潜力的影响。

先前的研究表明，嗜火细菌和真菌之间存在种间资源竞争，细菌编码儿茶酚邻位裂解途径，而真菌编码原儿茶酸邻位裂解途径。我们针对细菌优化的生物信息学流程没有获得真菌MAGs，但我们的ASV数据集在整个一年中都捕获了真菌ASVs，这突显了一个方法学上的局限性。事实上，转录组数据显示，在我们ITS2数据中占主导地位的真菌属Aspergillus，通过β-酮己二酸途径编码PyOM降解基因。因此，我们假设真菌贡献了额外的PyOM降解基因，需要生物信息学的进步来充分探索这种可能性。

Ortho-cleavage pathways dominate PyOM degradation in burned soils

与未燃烧地块相比，燃烧地块中差异丰富的PyOM降解基因数量更多，加上全年燃烧土壤中完整儿茶酚和原儿茶酸邻位裂解途径基因的优势地位，表明火后细菌可能优先使用邻位裂解而非间位裂解途径。这与火后针叶林的研究结果一致，其中超过50%的MAGs含有邻位裂解途径，该途径在同样含有高水平芳香族化合物的石油泄漏后也会富集。这些结果表明，高严重度火灾（会产生大量的PyOM或芳香族化合物）可能有利于查帕拉尔和森林生物群落中的这条途径。事实上，邻位裂解途径是好氧芳香族降解的主要途径，以其处理多种芳香族化合物的效率、将碳转化为生物量以及支持细菌快速生长而闻名。然而，尽管儿茶酚和原儿茶酸邻位裂解途径在细菌物种中广泛存在，但它们的基因排列各不相同，这会影响细菌在不同底物中分解和利用PyOM作为碳源的有效性。在这里，我们发现优势的变形菌门MAGs，如Noviherbaspirillum和Massilia，以及其他MAGs（包括Xanthobacteraceae PALSA-89，以及酸杆菌门Chthoniobacterales AV80和Solirubrobacteraceae）含有儿茶酚和原儿茶酸邻位裂解降解途径的基因。此外，我们发现了Massilia和Noviherbaspirillum出现的时间差异（34天 vs 131天），这支持了这样一个观点，即它们不同的PyOM降解策略可能反映了这些途径内基因排列的差异，影响了它们利用PyOM作为碳源的能力。然而，需要进一步的研究来探索它们特定的基因排列。

总之，我们的结果表明，在野火适应的生态系统（如查帕拉尔）中，嗜火细菌可能进化出对更容易降解的邻位裂解途径的偏好，以将PyOM转化为生物量，从而促进利用PyOM作为碳源，并推动微生物次生演替。

Microbial N cycling shifts from denitrification to N retention

我们发现随着时间的推移，燃烧土壤中硝化作用和氮保留的基因组潜力显著增加。随着生物可利用氮的减少，细菌群落可能转变为专门从事氮保留的类群，可能有利于生物量的增加，这与Massilia MAGs的优势地位一致，它们占全年16S序列的约60%，并编码了氮保留的关键基因（同化：nasABC, NRT, narK, nrtP, nirA 和 narB；以及DNRA：nirBD 和 narIV）。到火灾后131天，演替的标志是细菌属Arthrobacter、Blastocatellia和Micromonosporaceae MAGs的出现，它们通过同化硝酸盐还原途径表现出高度的氮固定基因组潜力。与此一致的是，燃烧地块中的NO₃^-浓度随时间显著上升（从17-25天的0，到131天的8.9 ± 2，并在286天达到峰值49.0 ± 9.3），表明底物可用性的增加可能有利于这些硝酸盐同化类群的增殖。这些发现支持了火后环境中微生物氮固定的观察结果，包括查帕拉尔，以及显示关键氮保留基因（nirB/D）在火灾后四年内仍富集的研究。此外，涉及添加PyOM的研究表明，PyOM通过改变微生物组促进燃烧土壤中的氮保留，表明通过改变微生物组进行火后氮保留可能代表了一种在火灾干扰生态系统中稳定养分循环的常见策略。此外，Massilia、Pseudonocardia和Micromonosporaceae具有通过异化亚硝酸盐还原酶（nirB/D）将NO₂^-还原为NH₄⁺的能力，从而用一种移动性、反应性阴离子交换一种更容易保留在土壤交换位点上的阳离子。与此一致，我们观察到随着时间的推移，氮保留基因的富集和土壤NH₄⁺浓度的增加（从17天的38.9 ± 7.5，增加到131天的57.0 ± 9.7，以及286天的60.4 ± 4.7）。这些模式，加上能够进行氮固定和同化的微生物类群的存在，支持了Massilia和Arthrobacter已知的氮还原和同化作用。

我们观察到在燃烧的查帕拉尔灌丛地中，与PyOM降解和DNRA相关的基因都有所增加，尽管这些过程需要不同的氧气条件。通过儿茶酚和原儿茶酸途径进行的PyOM降解依赖于氧依赖的双加氧酶，因此主要在有氧条件下发生。相比之下，DNRA主要是一个由专性或兼性厌氧菌进行的厌氧过程。然而，最近的研究表明，DNRA也可以在氧气水平波动或微需氧条件的环境中发生，例如低渗透性沉积物。由于火后土壤通常在微观尺度上表现出氧气可用性的时空变异性，这种变异性可能创造支持PyOM降解的好氧生态位，同时 alongside 促进DNRA的厌氧微站点。这种氧气异质性可能允许具有特殊代谢的不同细菌类群共存，从而在受火灾影响的土壤中实现碳和氮的并发循环。然而，需要更多空间分辨率高的研究来检验这一假设。

火灾期间挥发和火灾后淋溶造成的氮损失常常超过生态系统固氮的能力，特别是如果火灾破坏了氮循环微生物。我们的研究结果表明，观察到的火后生物可利用氮（NH₄⁺ 和 NO₃^-）的激增（在其他系统中也观察到）刺激了细菌活性，并导致在早期次生演替（17-25天）期间反硝化基因（nirK, narG, narZ）的过度表达。然而，我们的测量显示在火灾后17-25天未检测到NO₃^-，这表明（1）可能发生了少量NO₃^-脉冲，但被微生物迅速消耗，（2）NO₃^-可能被淋溶，或（3）它可能在测量之前就被反硝化了，特别是考虑到携带反硝化基因的微生物普遍存在。然而，通过反硝化作用完全还原硝酸盐生成N₂的基因（NO → N₂O → N₂）明显稀少，尽管有报道称火后环境中有N₂O和N₂产生。尽管我们没有检测到全套的反硝化基因，但完全还原为N₂或部分还原为N₂O可能仍然发生但未被检测到，因为我们的采样大部分与干燥条件（9个时间点中有6个土壤湿度<10%）相吻合，这限制了反硝化作用。尽管如此，早期演替期间反硝化基因的富集表明，能够进行反硝化并因此造成气态氮损失的细菌是存在的，并且可能加速了火后氮周转。此外，尿素循环途径在火灾后17至131天在燃烧地块中富集，但仅在未燃烧地块的17至25天富集。这表明火后微生物利用尿素作为氮源，将其转化为NH₄⁺用于生长，从而在富氮环境中偏爱具有尿素循环能力的类群。总之，我们的结果表明，具有特殊氮代谢的细菌主导并介导了火后演替，从反硝化转变为硝化，并最终随着生物可利用氮的减少而表达氮保留基因。

Conclusion

我们的高分辨率基因中心宏基因组分析揭示了在火灾后第一年，燃烧土壤中PyOM、烷烃和无机氮的基因组功能潜力迅速富集。这些功能性转变与嗜火细菌（如Massilia和Noviherbaspirillium）的优势地位相一致，这些细菌编码邻位裂解儿茶酚和原儿茶酸降解途径，同时可能将氮同化为生物量。这表明资源获取特性是受火灾影响土壤中细菌次生演替的关键驱动因素。单个细菌属内PyOM和氮途径的不完整基因组潜力，加上不同细菌采用的不同降解路线，表明类群之间存在代谢交接。具体来说，一些类群降解复杂化合物，而其他类群则利用副产物，表明在野火影响的群落中存在广泛的资源转移。虽然火后细菌利用PyOM和氮的能力先前已被假设，并且对某些类群已得到证明，但我们的研究提供了第一个直接证据支持我们关于细菌间特性权衡的概念模型，证明了特定的功能特性驱动了受火灾影响土壤中的细菌演替。这些发现对于预测细菌群落如何影响火后生态系统中的碳固存和氮循环具有重要意义。此外，通过揭示跨越高分辨率演替时间线的细菌群落中先前未被认识的功能性转变，我们填补了火后生态研究的一个关键空白，并为火灾对微生物介导的生态系统过程的长期影响提供了重要的见解。