全球土壤与沉积物微生物群落中产甲烷途径潜力的基因组分辨格局及其与类群组成的关联

《Environmental Microbiome》：Environmental gradients and methanogen guild composition underlie global variation in methanogenic pathway potential across soil and sediment microbiomes

　　

摘要

背景

产甲烷作用是厌氧土壤和沉积物中碳周转的核心微生物过程，对甲烷的生物产生潜力具有重要贡献。该过程由多种不同的古菌谱系介导，它们利用各自不同的底物进入途径，然而在不同环境微生物群落中产甲烷途径潜力的组织方式仍有待深入了解。

结果

我们分析了来自土壤和沉积物环境的904个宏基因组，涵盖七种生态系统类型，以表征全球范围内产甲烷途径潜力、环境关联性和产甲烷菌类群组成的格局。在各生态系统中，产甲烷途径潜力呈现出反复出现的途径贡献模式，其中乙酸裂解产甲烷作用所占比例最大，其次为氢营养型和甲基营养型途径。然而，这些途径的相对贡献在不同生态系统之间存在显著差异，并与土壤有机碳、pH值和温度相关变量有关。来自湿地土壤、泥炭地和稻田土壤的宏转录组数据提供了生态系统水平的证据，表明途径表达模式与宏基因组途径图谱总体上基本一致，同时也揭示了基因组潜力与转录活性之间的差异。为了将途径层面的功能变异与微生物种群联系起来，我们重建了110个高质量产甲烷菌宏基因组组装基因组，并将其归类为乙酸裂解型、氢营养型、甲基营养型和多途径类群。各生态系统间途径组成的特异性差异与产甲烷菌类群组成相关联，而相似的类群组成模式也可由不同的分类谱系维持，表明类群内部存在谱系组成变异。产甲烷菌类群与途径组成的关联方式也各不相同，归属于单一路径类群的类群与途径分化之间的关联性强于多途径类群。

结论

这些发现表明，土壤和沉积物微生物群落中的产甲烷途径潜力与环境梯度、产甲烷菌功能类群组成以及产甲烷菌类群内部的谱系组成变异相关联。通过将途径层面的功能潜力与产甲烷菌群落组成联系起来，本研究为理解厌氧环境微生物群落中产甲烷途径的变异提供了基因组分辨水平的依据。

背景

产甲烷作用是厌氧土壤和沉积物中碳周转的核心微生物过程，对甲烷的生物产生潜力具有重要贡献。该过程由多种不同的古菌谱系介导，它们利用各自不同的底物进入途径，然而在不同环境微生物群落中产甲烷途径潜力的组织方式仍有待深入了解。

结果

我们分析了来自土壤和沉积物环境的904个宏基因组，涵盖七种生态系统类型，以表征全球范围内产甲烷途径潜力、环境关联性和产甲烷菌类群组成的格局。在各生态系统中，产甲烷途径潜力呈现出反复出现的途径贡献模式，其中乙酸裂解产甲烷作用所占比例最大，其次为氢营养型1.5甲基营养型途径。然而，这些途径的相对贡献在不同生态系统之间存在显著差异，并与土壤有机碳、pH值和温度相关变量有关。来自湿地土壤、泥炭地和稻田土壤的宏转录组数据提供了生态系统水平的证据，表明途径表达模式与宏基因组途径图谱总体上基本一致，同时也揭示了基因组潜力与转录活性之间的差异。为了将途径层面的功能变异与微生物种群联系起来，我们重建了110个高质量产甲烷菌宏基因组组装基因组，并将其归类为乙酸裂解型、氢营养型、甲基营养型和多途径类群。各生态系统间途径组成的特异性差异与产甲烷菌类群组成相关联，而相似的类群组成模式也可由不同的分类谱系维持，表明类群内部存在谱系组成变异。产甲烷菌类群与途径组成的关联方式也各不相同，归属于单一路径类群的类群与途径分化之间的关联性强于多途径类群。

结论

这些发现表明，土壤和沉积物微生物群落中的产甲烷途径潜力与环境梯度、产甲烷菌功能类群组成以及产甲烷菌类群内部的谱系组成变异相关联。通过将途径层面的功能潜力与产甲烷菌群落组成联系起来，本研究为理解厌氧环境微生物群落中产甲烷途径的变异提供了基因组分辨水平的依据。