瞬时与永久缺氧海洋系统中反硝化模块性及其环境调控

《Environmental Microbiology》：Denitrification Modularity and Its Environmental Controls in Transiently Versus Permanently Anoxic Marine Systems

　　

反硝化是一种由具有不同反硝化基因组合的微生物群落介导的模块化过程。这些基因组合（即模块性）的调控因素尚不明确，且海洋观测大多局限于永久缺氧系统。本研究在全球宏基因组分析中，纳入了69个水体宏基因组样本，报道了基于缺氧持续性而与环境参数相关的不同模块性模式。仅凭热力学有利性不足以解释模块性模式的分布。相反，缺氧的持续性（或瞬时性）、氧气可利用性、生物地理学以及有机质与氮供应之比等变量共同塑造了反硝化微生物群落的基因组合。与永久缺氧系统相比，瞬时缺氧系统中的环境相关性表明，更复杂环境的压力可能因资源分配权衡而有利于较短的通路，无论有机质可利用性如何。与反硝化途径的其余步骤相比，硝酸盐还原是主导步骤，与缺氧类型无关。随着全球温度升高导致更多季节性缺氧和低氧水域的出现，这些结果凸显了在不同缺氧状态下理解反硝化模块性调控因素的重要性。

反硝化模块性及其环境调控：瞬时与永久缺氧海洋系统的比较研究

反硝化是海洋氮循环中至关重要的氮流失途径，与厌氧氨氧化共同控制着固定氮储量，进而调节初级生产力。在低氧环境中，反硝化在热力学上是有利的，海洋最小含氧带（OMZs）被估算贡献了高达50%的海洋固定氮流失。反硝化是一个由多步骤组成的微生物呼吸途径（NO??→NO??→NO→N?O→N?），每个步骤由不同的还原酶催化，分别由功能基因narG/napA、nirS/K、norB和nosZ编码。该途径具有模块性特征，即不同微生物以协同方式执行途径的不同步骤，且部分反硝化菌的数量超过完全反硝化菌。模块性对氮流失或保留以及强效温室气体氧化亚氮（N?O）的排放具有重要影响。然而，目前对水生生态系统中反硝化模块性及其调控因素的理解仍然有限。已有研究提出多种影响模块性的因素，包括各含氮中间体的热力学能量、电子传递链构型、电子供体（有机质，OM）与电子受体（溶解态无机氮，DIN）的相对可利用性，以及维持长电子传递链的能量和代谢多功能性权衡。近期研究还提出资源分配权衡假说，认为在资源有限或不稳定的环境中，微生物倾向于将资源投入代谢灵活性而非完全代谢途径，从而有利于较短的反硝化通路。已有的海洋宏基因组研究主要集中于永久分层缺氧的OMZ系统，对季节性或缺氧瞬时发生系统中的反硝化模块性研究甚少。

研究人员为验证瞬时缺氧将改变反硝化群落模块性的假说，从永久缺氧的稳定环境（如OMZs）和季节性缺氧的高度变化环境（如切萨皮克湾）中组装了2303个宏基因组组装基因组（MAGs），最终经质量控制后获得1418个高质量MAGs，其中858个含有一个或多个反硝化基因，并对其进行了功能基因注释、相对丰度计算和系统发育分析，比较了两种环境类型之间的反硝化模块性模式，并评估了OM供应和DIN可利用性对模块性的影响。该研究发表于《Environmental Microbiology》。

研究人员主要运用了以下关键方法：从全球8个采样地点采集的69个水体宏基因组样本中，通过宏基因组组装和分箱流程重建MAGs；利用HMMER对反硝化功能基因进行注释和严格的质控；通过读取映射计算MAGs相对丰度；构建反硝化完整性指数（DCI）量化模块性程度；运用主坐标分析（CAP）和置换多元方差分析（PERMANOVA）评估模块性模式与环境参数的关系。样本涵盖永久缺氧的东热带北太平洋（ETNP）、东热带南太平洋（ETSP）、阿拉伯海、卡里亚科盆地和黑海，以及瞬时缺氧的切萨皮克湾、萨尼奇湾和墨西哥湾。

研究结果表明，最常见的模块性类型为nar/nap（硝酸盐还原），在卡里亚科盆地和切萨皮克湾中最为丰富，且该组具有最高的系统发育多样性（Shannon多样性指数2.18），代表46个门。完全反硝化菌仅占反硝化MAGs的4%左右，主要来自卡里亚科盆地和黑海，且系统发育多样性最低。值得注意的是，nir_nor_nos模块性模式完全缺失，研究人员推测这可能与N?O和N?产生速率的示踪实验结果不一致有关，并提出了同位素稀释或MAG重建偏倚等可能的解释。瞬时与永久缺氧系统的模块性模式存在显著差异，CAP分析显示分层类型、地理位置、温度、氧气浓度和盐度均显著影响模块性模式的差异，其中地理位置是最大的指示因子。在永久缺氧样本中，POC:NO??比值与完全反硝化呈正相关，符合热力学预期；而在所有瞬时系统中，NPP、EP、POC和POC:NO??均与完全反硝化显著负相关，这与热力学预测相矛盾，却支持资源分配权衡假说。二氧化氮（NO??）浓度与DCI呈负相关，支持了NO??积累是由于部分反硝化菌多于完全反硝化菌的假说。含nosZ的模块性模式在所有样品中相对稀少（平均丰度1.16%），且主要属于Clade II，与先前研究认为的Clade I主导完全反硝化形成对比。

讨论部分指出，反硝化模块性的调控是多种因素共同作用的结果。瞬时缺氧系统中环境因素的更大多变性和复杂性导致了与永久缺氧系统不同的选择压力。在永久缺氧系统中，热力学预期得以体现，而在瞬时系统中，代谢权衡可能压倒了热力学优势。这一发现挑战了仅以OM可用性解释长反硝化途径的假设，暗示了代谢权衡和劳动分工的群落利益在不稳定环境中对短途径选择的重要作用。研究结论指出，两种缺氧系统中的反硝化菌均以短截断途径为主导，但短途径的类型和驱动因素存在差异。硝酸盐还原第一步的显著优势可能归因于硝酸盐还原酶直接泵送质子的独特能力以及研究环境中较低的OM供应。含nosZ的模块性类型稀缺且与OM供应正相关，支持了N?O呼吸微生物的颗粒附着生活方式。分层持续性、氧气可利用性、温度、盐度和生物地理学位置共同解释了模块性模式丰度的差异，其中分层持续性是关键变量。POC:NO??比值与模块性的关系在永久分层系统中显著，这一发现强调了在未来模块性研究中纳入所有类型缺氧系统的必要性，因为目前对模块性调控的理解可能仅适用于类似OMZ的系统，这也解释了为何在全球数据集中难以确定反硝化模块性的环境调控因素。