南极苔藓、地衣与土壤细菌群落及其功能潜力的镶嵌格局：基于宏基因组学的微生境比较研究

《Frontiers in Microbiology》：A mosaic of bacterial communities and their functional potential across Antarctic moss, lichen and soil

　　

： 引言： 细菌群落组成在不同基质间存在显著差异，而采样地点之间的整体群落水平差异在统计学上未被检测到。 recovered 的 U. aurantiacoatra 细菌群落以 Pseudomonadota（假单胞菌门）为主导，而 A. regularis 与土壤群落则表现出更高的分类多样性，其中 Pseudomonadota、Actinomycetota（放线菌门）和 Cyanobacteriota（蓝藻门）为优势门。功能谱分析揭示了不同微生境间截然不同的代谢模式。土壤总体表现出最广泛的代谢潜力，并具备近乎完整的氮循环通路。A. regularis 微生物组富含自养机制、高亲和力转运系统及环境感知通路，而地衣微生物组则呈现更为精简的功能谱，缺乏诊断性的固氮酶基因（nitrogenase genes）及异化代谢通路。 讨论： 这些发现凸显了基质身份（substrate identity）在构建南极相邻微生境细菌群落中的重要性。所观察到的分类组成与功能潜力的差异表明，苔藓、地衣和土壤提供了截然不同的生态位，可能影响微生物对南极陆地生态系统养分循环的贡献。

南极苔藓、地衣与土壤细菌群落及其功能潜力的镶嵌格局：一项基于宏基因组学的微生境比较研究解读

一、研究背景与科学问题

南极冰-free 的沿海和山区地带是地球上最为极端的地表环境之一，严酷的微气候条件限制了维管植物的定植，使得隐花植物（cryptogams），主要是苔藓植物和地衣，成为初级定植区的主导生物。除了在植被覆盖中的可见作用外，这些隐花植物还充当着重要的活体微生境，支撑着多样且高度特化的微生物群落。与南极苔藓和地衣相关的微生物组对生态系统功能至关重要，它们参与养分循环，并增强宿主对极端极地胁迫（如零下温度、强烈紫外线辐射和长期干燥循环）的抵抗力。因此，这些联合体内部的共生与协作互动可以强烈影响养分获取、胁迫耐受性以及极地荒漠景观的整体生态稳定性。

已有研究表明，南极苔藓、地衣和土壤承载着截然不同的细菌群落，反映了它们在结构微环境和养分状况上的差异。苔藓通常拥有代谢多样的微生物组，富含 Actinobacteriota、Pseudomonadota 和 Bacteroidota，可加速有机质周转和氮动态。地衣则拥有包含 Pseudomonadota 成员的细菌群落，这些成员可能具有与养分循环和胁迫耐受相关的生理特征。周围土壤可能与苔藓和地衣共享细菌类群，表明土壤可能充当隐花植物相关群落的微生物储库。然而，对相邻苔藓、地衣和土壤基质进行同步、全面的宏基因组学比较仍然很少见，这留下了对微生境身份和局部基质特性如何控制微生物功能潜力的关键认知空白。

在南极半岛，Andreaea 属的垫状苔藓和 Usnea 属的灌木状地衣经常在同一岩面上共存。在利文斯顿岛，Andreaea 保持稳定的基线覆盖度，而 Usnea aurantiacoatra 的丰度随海拔显著增加，显示出对海拔的明显分布敏感性。这种紧密的空间关联为在广泛共享的场地条件下比较微生物组提供了机会。然而，宿主相关的化学、结构和局部微气候差异都可能导致群落分化，且无法仅通过空间共现来区分。这些营养贫乏、无冰陆地生境中的一个主要功能挑战是严重的氮限制，使得生态系统发展严重依赖蓝藻作为主要的“生态工程师”。这些光合生物驱动寡营养矿物土壤中的碳和氮通量，形成复杂的生物土壤结皮并定植于隐花植物表面。为了缓解极地氮缺乏，它们部署了不同的细胞生存策略：异形胞属（如 Nostoc）在特化的厚壁细胞内保护对氧敏感的固氮酶，而各种单细胞和丝状非异形胞蓝藻则依赖时间分离来区分产氧光合作用与固氮作用。此外，这些蓝藻联合体合成的胞外聚合物积极稳定脆弱的土壤基质，抵抗风蚀并优化保湿，创造了支持更广泛微生物生物多样性的缓冲微生境。

鉴于这些生物截然不同的生物学特性及其紧密的空间共现性，研究人员调查了在利文斯顿岛两个海拔高度上，Andreaea regularis、Usnea aurantiacoatra 和相邻土壤之间的细菌群落组成和功能谱是否存在差异。

二、研究内容与主要结论

该研究通过比较宏基因组学方法，考察了基质相关的模式和两个采样点之间的差异，以表征这些南极微生境之间的微生物重叠和功能分化。研究结果表明，细菌群落组成在不同基质间存在显著差异，而采样地点之间的整体群落水平差异未被检测到。U. aurantiacoatra 地衣支持一个低多样性的细菌联合体，由 Pseudomonadota 强烈主导，而 A. regularis 垫状体和相邻土壤则拥有更多样、更均匀的群落。功能谱分析揭示了微生境间不同的代谢模式，土壤表现出最广泛的代谢潜力，A. regularis 微生物组富含自养机制、高亲和力转运系统和环境感知通路，而地衣微生物组则呈现更精简的功能谱。这些发现强调了基质身份在构建南极相邻微生境细菌群落中的重要性，表明苔藓、地衣和土壤提供了截然不同的生态位，可能影响微生物对南极陆地生态系统养分循环的贡献。

三、主要关键技术方法

研究人员在南极利文斯顿岛雷纳索菲亚山进行了野外采样，采集了苔藓 Andreaea regularis、地衣 Usnea aurantiacoatra 及相邻土壤样本，共18个样本，涵盖低海拔（44 m）和高海拔（276 m）两个地点。采用 Illumina NovaSeq X Plus 平台进行高通量鸟枪法宏基因组测序。利用 CAPTUS 系统发育基因组学流程确认宿主物种身份。使用 Kraken2 对 RefSeq WGS 数据库进行细菌群落分类学分析。功能注释通过 DIAMOND BLAST 搜索 Swiss-Prot 数据库，并使用 KEGG 模块进行代谢通路重建。此外，使用 eggNOG-mapper 和 PfamScan 进行详细的功能比较分析。

四、研究结果

宏基因组测序概述： 对18个样本进行鸟枪法宏基因组测序，产生155 Gb原始序列数据，约10.3亿对双端 reads。经过严格的质量过滤和接头修剪，保留了9.77亿对高质量双端 reads，每个样本的 read 存活率在94.5%至98.7%之间。

Andreaea 和 Usnea 物种鉴定： 系统发育分析证实所有 Andreaea 样本属于 Andreaea regularis，所有 Usnea 样本属于 Usnea aurantiacoatra。

细菌群落组成： 分类学分析显示，U. aurantiacoatra 强烈由 Pseudomonadota（81%）和 Cyanobacteriota（17%）主导。A. regularis 和土壤样本则表现出更多样的群落组成，涵盖 Actinomycetota、Pseudomonadota、Cyanobacteriota 和 Bacillota。A. regularis 含有显著更高比例的 Cyanobacteriota（35%），而土壤仅为1%。PCoA 分析显示三个微生境的细菌群落清晰分离，PERMANOVA 确认基质间差异显著（R2 = 0.848，p = 0.001）。土壤、苔藓和地衣中分别检测到399、375和67个细菌属。

蓝藻群落组成： U. aurantiacoatra 几乎完全由 Leptolyngbyales（99.8%）主导，A. regularis 同时含有 Leptolyngbyales（40.9%）和 Nostocales（52.0%），土壤群落则更多样。指示物种分析显示 Nostoc 和 Geminocystis 与 A. regularis 强关联，Leptolyngbya 指示 U. aurantiacoatra。

属水平变化： 基质类型对所有46个分析属的丰度都有显著影响，而海拔效应仅对部分属有影响。24个属在土壤中丰度最高，15个属在 A. regularis 中富集，7个属在 U. aurantiacoatra 中富集。

功能谱与代谢潜力： 土壤的细菌 read 产量最高，U. aurantiacoatra 最低。共鉴定出151条代谢通路，其中122条为三种基质共有。A. regularis 微生物组独有4条通路（角质、木栓质和蜡生物合成，类黄酮生物合成，单萜生物合成，其他次级代谢物生物合成），土壤独有1条（四环素生物合成）。氮循环重建显示土壤拥有近乎完整的氮转化基因，A. regularis 缺乏硝化基因，U. aurantiacoatra 缺乏多种反硝化基因和固氮酶基因。硫代谢方面，同化硫酸盐还原基因在所有基质中检测到，而异化硫代谢和 SOX 系统仅在苔藓和土壤中检测到。

苔藓与土壤微生物组的功能差异： 差异功能分析显示苔藓与土壤之间存在大量差异，苔藓微生物组富集自养代谢、转运系统和环境感知功能，而土壤富集异养代谢、次级代谢和胁迫耐受功能。

五、讨论与结论

讨论部分指出，U. aurantiacoatra 中 Pseudomonadota 的主导地位与其对干燥、冻融胁迫和高紫外线暴露的适应能力一致。苔藓与土壤在门水平上的重叠表明土壤可能充当苔藓相关细菌群落的微生物源库。地衣中检测到的细菌属较少可能与其产生的特化次级代谢物（如松萝酸）有关。蓝藻组成的差异表明宿主相关的生态策略不同，Nostoc 在 A. regularis 中的富集可能贡献固氮作用。功能谱差异表明苔藓和土壤具有更广泛的代谢潜力，而地衣微生物组功能更受限，这可能反映其化学和物理选择性微环境。

结论部分总结道，该研究展示了南极陆地生态系统中细菌群落组成和功能潜力的清晰宿主相关结构化格局。Andreaea regularis 垫状体和相邻土壤支持多样且代谢多能的细菌群落，而 Usnea aurantiacoatra 叶状体则拥有更受限和特化的微生物组。苔藓与土壤之间的比较也揭示了功能潜力的差异，包括苔藓相关微生物组中光合作用相关功能、养分获取和环境感知的富集。地衣数据集因细菌测序深度低而限制了功能解读。这些发现为研究隐花植物相关微生境如何促进南极陆地生态系统中微生物群落的空间组织和养分循环潜力提供了基础。