海洋反硝化微生物的生活方式分化

《The ISME Journal》：Lifestyle Differentiation Among Marine Denitrifying Microorganisms

　　

摘要

在海洋无氧区中进行反硝化作用的微生物导致了生物可利用氮的流失。测序数据集已证明反硝化作用的模块化特征，即大多数种群仅具备该途径（NO₃^-?NO₂^-?NO?N₂O?N₂）中部分环节的遗传能力。尽管此前的研究为这种功能模块间的多样性提供了生态学解释，但每个功能模块内部仍存在巨大的性状差异，而这种模块内多样性及其生物地球化学意义尚未得到探索。在此，我们结合基因组数据与建模方法，探讨代谢"生活方式"策略如何影响反硝化微生物群落结构。我们建立了全面的海洋反硝化菌基因组数据库，并识别了反硝化功能组之间的生活方式分化。随后，我们扩展了一个数学生态系统模型，通过为每个模块分辨出两种微生物功能类型来表示一种代谢权衡：速生型（copiotroph），优化以适应快速生长；和寡营养型（oligotroph），优化以适应高营养亲和力。在模型中，随着相对于硝酸盐的有机物供给量增加，群落中速生型的程度先增加后减少。这表明寡营养型与有机物限制条件或硝酸盐限制条件相关联，而速生型生活方式则与中间状态相关联。我们的模型进一步将NO₂^-还原菌与寡营养型联系起来，将NO₃^-还原菌与速生型联系起来，特别是那些产生温室气体氧化亚氮（N₂O）的细菌，从而将N₂O的产生与底物充足条件联系起来，这与我们的基于基因组的生态位估算结果一致。研究结果提供了反硝化菌生态位的相关见解，进而揭示了与中间体（如N₂O）产生相关的生物地球化学条件，有助于我们理解在变暖的海洋中氮循环将如何变化。