格陵兰冰盖边缘甲烷是微生物群落构建的重要选择因子

《Applied and Environmental Microbiology》：Methane is an important selection factor in microbial community assembly along the Greenland Ice Sheet margin

　　

摘要专业翻译 冰盖底部栖息着代谢活跃的微生物群落，是甲烷（CH4）产生、消耗和矿化的重要场所。微生物来源的CH4以融水溶解态甲烷（CH4(aq)）的形式从格陵兰冰盖（GrIS）西缘释放，其浓度跨越五个数量级（约0.4 nM至约50,000 nM），表明其可利用性存在强烈梯度。本研究检验了CH4作为重要碳源和能源，在GrIS西缘微生物群落结构决定因素中的显著性。研究人员从跨越约2,000公里的冰川径流中采集微生物群落样本，并利用16S rRNA扩增子测序对其进行表征。群落以红育菌属（Rhodoferax）、极地单胞菌属（Polaromonas）、甲基弯曲菌属（Methylotenera）和泉发菌属（Crenothrix）为主，后者是重要的甲烷氧化菌类群。基于距离的冗余分析（dbRDA）确定CH4(aq)浓度是微生物群落结构的最强预测因子。差异丰度分析揭示了参与复杂有机物降解与CH4循环的生物之间的耦合关系，提示存在连接产甲烷与甲烷氧化过程的微生物互作。与此模式一致，基于系统发育分箱的零模型分析表明，CH4是群落构建的关键驱动力，CH4(aq)浓度较高（即>4.9 nM）的位点表现出更强的同质选择信号，而低于该阈值的位点则更受随机过程（特别是漂变和扩散限制）的影响。综上，这些结果表明CH4对GrIS边缘的微生物群落构建施加了强烈的确定性影响，并凸显了这些生态系统在变暖的北极地区碳循环和CH4动态中的作用。

论文解读

一、研究背景与科学问题

冰川和冰盖底部的微生物群落长期处于研究盲区，主要原因是直接进入这些栖息地在后勤上极为困难。以往研究受空间范围限制，主要依赖间接观测手段，例如分析融冰季节随融水输出的细胞。尽管已有部分研究描述了这些输出群落的分类组成并推测了其代谢潜力，但驱动微生物群落构建的生态过程和选择力量仍不清楚。

甲烷（CH₄）排放已在全球多处冰川和冰盖边缘被检测到，与融水排水路径和流量密切相关。沿格陵兰冰盖（GrIS）西缘，这种输出的CH₄具有微生物来源，主要由冰下沉积物中的乙酸裂解型以及可能的氢营养型产甲烷作用产生。GrIS融水中溶解态甲烷（CH_4(aq)）浓度在时间和空间上变化显著，跨越五个数量级，从低于大气平衡值（<4.9 nM）到约50,000 nM。这一广泛范围表明融水CH_4(aq)浓度是动态变化的，反映了潜在的生物地球化学和水文过程。由于CH_4(aq)既是产甲烷作用的终产物，又是甲烷氧化作用的底物，其沿GrIS西缘的空间变异性可能指示不同的冰下和/或冰缘氧化还原生态位及代谢模式。此类生物地球化学梯度有可能施加强烈的环境过滤作用，偏好特定的微生物功能类群并促进确定性群落构建。

基于此，研究人员提出假设：CH₄是GrIS边缘微生物群落构建的重要环境过滤器和选择因子。研究旨在评估CH₄浓度相对于其他环境变量对微生物群落构建的影响，并确定确定性（环境选择）与随机性（生态漂变、扩散）构建过程的相对重要性。

二、研究设计与技术方法

研究人员沿GrIS西缘从Qaanaaq到Narsarsuaq的纬度断面设置了16个采样点，在三个夏季融冰季节（2021年8–9月、2022年7–9月和2023年7月）采集了26个位点-日期样本，每个样本设置三至四个重复（除一个例外），共获得78个微生物分析样本。采样尽可能靠近冰缘，选择上升泉（冰前泉）或冰下出水口。现场测量了温度、pH、电导率和溶解氧等参数。CH_4(aq)浓度采用顶空平衡法结合便携式温室气体分析仪（MGGA）原位测定。

主要关键技术方法包括：DNA提取采用DNeasy PowerWater Sterivex Kit；16S rRNA基因V4区扩增子测序在Illumina NovaSeq 6000平台完成；生物信息学分析采用DADA2流程生成扩增子序列变异体（ASVs），以SILVA v138.2数据库进行物种注释；系统发育树构建采用DECIPHER比对和phangorn最大似然法；群落结构分析采用主坐标分析（PCoA）和置换多元方差分析（PERMANOVA）；环境驱动因子识别采用偏距离冗余分析（dbRDA）和正向选择；差异丰度分析采用ANCOM-BC；群落构建过程推断采用基于系统发育分箱的iCAMP框架。

三、研究结果

微生物群落组成

微生物群落以假单胞菌门（Pseudomonadota）为主，其次为拟杆菌门（Bacteroidota）和放线菌门（Actinomycetota）。稀疏化数据集中共鉴定出6,837个ASVs，最丰富的五个ASVs分别属于红育菌属（Rhodoferax）、极地单胞菌属（Polaromonas）、甲基弯曲菌属（Methylotenera）、红育菌属（Rhodoferax）和泉发菌属（Crenothrix）。古菌ASVs占总ASV数量的2.5%，约占全部读长的0.23%。极地单胞菌属和红育菌属的广泛优势与先前研究一致，二者均以代谢适应性著称，能够应对冰下环境多变的氧化还原条件和有机物来源。

群落模式与环境驱动因子

PCoA前两轴解释了总方差的33%。PERMANOVA显示区域显著解释了部分群落差异（R2=0.281，P=0.001），但组内位点离散度也存在显著差异。值得注意的是，CH_4(aq)浓度极高的位点（SW4、SW5-a,c,d）聚类在一起，与CH_4(aq)浓度较低的位点明显分离。

偏dbRDA最简约模型包含CH_4(aq)（最强因子，F=8.766，P=0.001）、可溶性活性磷（SRP）、悬浮颗粒物（SPM）、纬度、溶解性有机碳（DOC）、流域面积和铁（Fe）。第一轴解释了20.9%的方差，主要与SPM和SRP相关；第二轴解释了12.6%，以CH_4(aq)为主导，DOC、纬度和Fe也有贡献。全模型解释了43%的群落变异，在扣除采样日效应后仍显著。CH₄作为最强单一预测因子，凸显了产甲烷和甲基营养过程在这些环境中的重要性。

沿CH₄浓度梯度的微生物群落变化

CH₄相关类群共83个ASVs，包括产甲烷菌和甲基营养菌。产甲烷菌相对丰度极低（0.01%–0.15%），最丰富的ASV（ASV 1147，Methanoregula sp.）仅达0.004%。产甲烷菌在所有高CH₄位点和至少一个中间CH_4(aq)范围（4.9–490 nM）的位点中相对丰度最高，但在所有大气平衡位点中缺失。尽管丰度低，但检测到跨越四个目的系统发育多样的产甲烷古菌，以氢营养型产甲烷菌为主。

与产甲烷菌相反，甲基营养菌丰度高且与CH_4(aq)浓度升高强烈相关。六个隶属于甲基弯曲菌属（Methylotenera）、甲基杆菌属（Methylobacter）和泉发菌属（Crenothrix）的甲基营养ASVs相对丰度达1.1%–4.3%，在大多数高CH₄位点合计占群落的25%–76%。甲烷氧化群落以I型甲烷氧化菌（Methylomonadaceae科）为主，II型和III型甲烷氧化菌极为稀少。

差异丰度分析显示38个类群（跨越13个门）的相对丰度随CH_4(aq)浓度升高而显著变化，其中22个增加、16个减少。正向响应最强的类群为泉发菌属（Crenothrix）、甲基杆菌属（Methylobacter）和Methylomonadaceae科，其次为Dysgonomonadaceae科、Bacteroidetes vadinHA17、Aminicenans、嘉利翁氏菌属（Gallionella）和Anaerolineaceae科。负向关联最强的类群包括Luteolibacter、Cereibacter、Limnohabitans、Lacisediminihabitans和hgcl分支。高CH_4(aq)浓度下富集的复杂多糖降解菌和产乙酸/甲酸/H₂类群，提示复杂有机物降解与CH₄产生紧密耦合，冰下存在活跃的微生物碳处理网络。

驱动群落构建的生态过程

iCAMP分析显示，同质选择是最主要的构建过程（占群落对的56.5%），其次为扩散限制（20.7%）、漂变（20%）、异质选择（2%）和同质化扩散（0.8%）。高CH₄位点和CH_4(aq)范围20–40 nM位点的确定性过程显著高于大气平衡CH_4(aq)浓度位点（Kruskal-Wallis检验，P=0.015）。高CH₄位点同质选择的优势由少量含高丰度功能相关类群的系统发育分箱驱动，其中包含甲烷氧化菌（泉发菌属、甲基杆菌属、Methylomonadaceae）的分箱13贡献了超过23%的同质选择信号。相反，CH_4(aq)接近或低于大气平衡的位点同质选择影响显著减弱，随机性作用比例增大。中间CH_4(aq)浓度位点同质选择仍占主导，但系统发育驱动因子转向多功能代谢策略和氧化还原界面相关的分箱，如含铁氧化菌（Sideroxydans、Gallionella）的分箱。同质选择在高CH₄位点和20–40 nM范围最高但未随CH_4(aq)浓度线性增加，提示存在饱和或阈值效应。

四、讨论与结论

CH₄作为一种特化的生态过滤器而非简单的额外碳源发挥作用。它只能被甲烷氧化菌直接氧化，升高的CH₄浓度因此可选择性地有利于具备CH₄氧化途径的微生物。同时，这些类群的代谢活动可通过碳交叉喂养（如为甲基弯曲菌属提供甲醇）、局部氧耗竭以及与其他生物地球化学过程的相互作用来重构更广泛的群落。CH₄可利用性不仅通过直接选择CH₄氧化菌促进确定性构建，还通过间接塑造非甲烷营养群落成员的生态位来实现。CH₄最好被解释为潜在氧化还原梯度的代理变量和组成部分，该梯度结构化了微生物群落的构建。

研究结论：从GrIS陆地出口输出的微生物群落主要由同质选择塑造，CH_4(aq)浓度作为关键环境过滤器结构化了群落组成和功能。CH_4(aq)浓度并非线性选择因子，而是定义了群落构建模式：高CH₄位点是确定性引擎，同质选择强制构建以CH₄循环为中心的功能协调联合体；低CH₄大气平衡位点则表现出更强的随机过程，漂变和扩散创造了更多样化的广适性群落。互养类群和复杂多糖降解菌与CH₄浓度升高的关联进一步表明，内部微生物互作通过连接产甲烷、甲烷氧化与上游有机物降解过程来强化CH₄循环，但功能互作仍需进一步研究确认。