核心微生物组作为美国西部沙尘源区的潜在指纹识别方法

《Frontiers in Microbiology》：Core microbiomes as a potential fingerprinting method of Western USA dust sources

　　

引言：沙尘排放的频率和强度变化影响生态系统与人类健康。沙尘携带微生物、养分、重金属及其他物质，可能改变沉降区的环境生物地球化学过程。识别沙尘源区可为减缓策略的时空部署提供关键信息。然而，常用的地球化学或同位素示踪剂往往难以区分地理区域。方法：研究人员探究了土壤细菌群落是否可作为美国西部沙尘源区的独特指纹。研究人员对美国国家风蚀研究网络（National Wind Erosion Research Network，NWERN）十个站点（用地类型包括耕地、牧场和干盐湖（playa））的沙尘细菌核心群落进行识别，并将群落与区位、土壤及区域特征比较。样本采自改良Wilson和Cooke（Modified Wilson and Cooke，MWAC）采样器，按季节（春、夏、秋）混合，采用16S rRNA测序分析。结果：研究人员发现可反映沙尘源区特征的不同细菌核心群落。按重要性排序，降水量（p = 0.0001）、区位（p = 0.0001）、土壤质地（p = 0.0001）、季节性（p = 0.0001）和海拔（p = 0.0002）均与细菌群落组成相关。讨论：生物结皮（biocrusts）、playa和军事基地邻近性等地块特征与独特细菌核心群落相关。结果表明，核心微生物组（core microbiomes）有望作为识别沙尘源区的方法。

该研究发表于《Frontiers in Microbiology》。研究背景方面，沙尘事件频率与强度变化备受关注，因为风蚀输送的养分、微生物、重金属和微塑料可跨越长距离，影响生态系统及人类健康。干旱区土壤在气候变化与土地管理下更易风蚀，明确沙尘来源与组成有助于修复、减缓及健康风险评估。现有地球化学、卫星和模型溯源方法中，地球化学数据虽稳定，但在地理区域区分上常力有不逮；而细菌群落可提供源区遗留DNA等更高分辨率信息，尤其在地球化学信号不足时，因此研究人员希望验证土壤细菌核心群落能否作为美国西部沙尘源区的指纹。

为开展研究，研究人员使用NWERN十个站点样本队列：涵盖科罗拉多、新墨西哥、俄克拉荷马、北达科他、犹他、内华达六州，用地包括耕地、牧场、playa；月采后经MWAC采样器收集，取50 cm与85 cm高层混合为远距搬运细颗粒，再按春（3—5月）、夏（6—8月）、秋（9—11月）混合。关键方法包括：250 mg沉积物用DNeasy PowerSoil Pro试剂盒提取基因组DNA；16S rRNA扩增子由Illumina MiSeq测序；序列在QIIME 2（2022.2）中用DADA2去噪得到扩增子序列变体（amplicon sequence variants，ASVs）；用加权UniFrac与Bray–Curtis距离做β多样性；以PERMANOVA（adonis2，9999次置换）检验降水、土壤质地、季节、海拔、区位的影响；核心微生物组按相对丰度>1%为丰富类、<1%为稀有类，且在站点组内至少50%样本出现（50%流行率）来定义。

3 结果

3.1 基于区位因子的独特微生物群落

PCoA（加权UniFrac）中PC1解释49.9%、PC2解释13.0%变异。PERMANOVA显示降水量（R²=0.248）、区位（R²=0.229）、土壤质地（R²=0.12）、季节（R²=0.064）、海拔（R²=0.033）均显著。Red Hills与Twin Valley聚在一起，其余多独立聚类；α多样性（observed features）站点间显著差异，Red Hills、Twin Valley、El Reno最高。空白提取无序列读出。

3.2 丰富与稀有核心微生物组

丰富核心中多个站点共享Firmicutes的Bacillaceae、Brevibacillaceae等；HAFB、Jornada、Moab共享Anoxybacillus、Geobacillus。Red Hills+Twin Valley丰富核心仅见Actinobacteria（如Blastococcus、Modestobacter、Micrococcaceae）。稀有核心中Bacteroidota在El Reno、Jornada、Red Hills、Twin Valley特有；RH+TV稀有核心有Noviherbaspirillum与Segetibacter类群。

3.3 微生物群落的季节变化

季节是群落组成显著预测因子。CPER受季节与年份影响；HAFB、Jornada仅季节显著；Moab无季节效应；Red Hills与Twin Valley主要由季节驱动、年份次之。

4 讨论

研究人员指出，相似用地与景观特征产生强微生物相似性，说明沙尘微生物数据可用于评估贡献源区，但本研究为描述性而非预测性。Red Hills与Twin Valley同处内华达、低降水高海拔、受2018 Martin Fire扰动，Actinobacteria富集、Firmicutes最低（4.3±2%与2.3±2%），区别于其他站点19.8—87.2%。Jornada与HAFB虽近，但HAFB受石膏与biocrusts影响、位于White Sands石膏沙丘下风向，群落独立聚类。丰富/稀有核心显示通用型与特化型分类单元并存：Akron与CPER共享Bacillaceae、Brevibacillaceae等耐紫外与干燥的内生孢子菌；El Reno特有Solirubrobacter、Massilia；Moab丰富核心含Anoxybacillus、Geobacillus。季节上，降水格局与温度湿度改变群落；Moab因严重干旱无季节变异，CPER春夏占年降水70%故季节转换明显。微生物指纹与Mangum等地球化学签名一致处为HAFB独特、RH+TV相似；差异处为Lordsburg作为playa地球化学独特但微生物与其他站点相似，说明微生物并不像地球化学那样清晰区分playa，联合使用更优。

研究结论部分译为：研究人员发现各站点具有可反映源区特征的细菌核心群落；降水量、区位、土壤质地、季节与海拔均显著塑造群落；Red Hills与Twin Valley、HAFB与Jornada等案例表明生物结皮、playa、野火、石膏土壤等驱动微生物指纹；季节与区域气候调节群落结构；核心微生物组可作为美国西部沙尘源区指纹识别的潜在方法，但是描述性框架，未来需结合地球化学与更多区域排放点以实现从源到汇的沙尘追踪。