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微生物通过一系列氧化还原反应驱动生物地球化学循环，有的微生物可以耦合不同元素的生物地球化学循环，例如碳、氮、磷、硫等，存在复杂的耦合关系。

图 $CO_{2}$ 升高(A)和气候变暖(B)对氮库和转化过程影响的概念图

红树林生态系统被认为是生物地球化学循环的热点，但微生物驱动的生物地球化学循环沿红树林湿地沉积物深度的多样性、功能和耦合机制仍然难以捉摸。2023年发表于《Microbiome》的“Vertically stratified methane, nitrogen and sulphur cycling and coupling mechanisms in mangrove sediment microbiomes”文章系统研究了甲烷的垂直剖面（ $CH_{4}$ ）、氮（N）和硫（S）循环基因、途径及其潜在的偶联机制。

● 发表期刊：Microbiome

● 发表时间：2023

● 影响因子：16.837

● DOI: 10.1186/s40168-023-01501-5

研究策略

研究在中国珠海淇澳红树林保护区，从一个以秋茄树（obovata Kandelia）为主的红树林栖息地采集了五个1米长的柱塞芯作为复制品。采集了不同深度的沉积物岩芯（即0-5、5-10、10-15、15-20、20-30、30-40、40-50、50-60、60-80和80-100 cm），共产生50个样本，开展宏基因组测序和binning分析。

主要结果

1、 $CH_{4}$ 、N和S元素循环相关微生物的环境驱动因素

研究测量了沉积物的pH、温度、盐度、 $NH_{4}^{+}$ 、 $NO_{2}^{-}$ 等理化因子，以表征红树林沉积物中环境因素的垂直分布。通过Mantel检验估计了理化性质与参与 $CH_{4}$ /N/S循环的基因家族丰度之间的最大信息系数（MIC）值。结果表明，pH和AVS是影响 $CH_{4}$ 、N和S循环微生物群功能多样性和组成的主导因素，其次是 $SO_{4}^{2-}$ 和 $NO^{3-}$ （图1）。

图1 环境因素与红树林沉积物微生物群功能的关系

Mantel检测揭示了环境因素与 $CH_{4}$ /N/S循环基因家族（A）或功能多样性（B）之间的相关性。C使用最大信息系数（MIC）指数计算个体环境因素对参与 $CH_{4}$ /N/S循环的特定代谢途径的重要性。百分比是指在环境因素的显著驱动下，参与特定代谢途径的基因家族的百分比。DNRA：异化硝酸盐还原。

2、红树林沉积物微生物组沿深度的宏基因组分析

基于沉积物宏基因组分析，发现了功能和分类多样性沿深度的明显变化趋势。氮和硫循环群落的功能多样性随着沉积物深度的增加而减少，而 $CH_{4}$ 循环群落的多样性在深度之间没有显著差异。

图2 红树林沉积物微生物群功能潜能随深度变化

A功能多样性与沉积物深度之间的关系。B分类多样性与沉积物深度之间的关系。C Z评分的热图标准化了参与 $CH_{4}$ /N/S循环的关键基因的相对丰度。蓝点/线表示微生物群落的整体功能/分类多样性；黄色点/线表示甲烷循环群落的功能/分类多样性；绿点/绿线表示氮循环群落的功能/分类多样性；紫色点/线表示硫循环群落的功能/分类多样性。灰色阴影区域表示95%的置信区间。R2通过线性回归分析获得，P通过Pearson相关分析获得。

3、 $CH_{4}$ /N/S循环基因/途径和微生物群的垂直剖面

研究分析了微生物群落的功能组成，重点分析了参与 $CH_{4}$ 、N、S循环的关键功能基因和通路的相对丰度，并且观察到这些代谢模式在不同沉积物深度之间的显著差异。

图3 参与 $CH_{4}$ 、N和S循环的关键微生物概况。

每个关键基因家族中前10个丰富微生物的相对丰度百分比如风玫瑰图所示。

4、红树林沉积物中的微生物共发生网络图

为了进一步探索不同深度可能的微生物相互作用和耦合机制，作者使用与 $CH_{4}$ 、N和S循环中所有contigs相关的分类图谱构建了共生网络。观察到 $CH_{4}$ 、N和S循环微生物组网络的不同结构和拓扑特征。与表层和深层网络相比，中层网络似乎具有最大的复杂性。

图4 表层（黄色）、中层（红色）和深层（蓝色）沉积物中微生物群落的共发生网络图

A网络节点由模块内连接性（Zi）和模块间连接性（Pi）分隔。Zi和Pi对微生物类群的分类阈值分别为2.5和0.62。B不同沉积层的总体拓扑特征。

5、 $CH_{4}$ 、N和S循环过程的基因组耦合分析

通过宏基因组组装和binning，作者重建了19个古菌MAGs和58个细菌MAGs。古菌中甲烷菌科、甲烷菌科和甲烷菌科的MAG主要分布在深层沉积物中。在细菌MAGs中，有9个含有S氧化和反硝化关键基因的S驱动反硝化菌，以及9个具有dsrABD基因或与脱硫菌属相关的推定SRB的MAG。

S驱动的反硝化菌MAG在表层和中层沉积物中的相对丰度高于深层沉积物。除 $N_{2}O$ 外，所有S驱动的反硝化菌MAG都可以使用不同的N物种作为电子受体，这可能导致沉积物中产生 $N_{2}O$ 。其中，六种MAG含有硫化物：醌氧化还原酶（Sqr），它催化硫化物氧化为元素硫（图5）。

图5 9种S驱动反硝化菌对红树林沉积物反硝化和S氧化的代谢特性

蓝色箭头表示脱氮反应，绿色箭头表示S氧化反应。实心箭头表示在回收的MAG中发现的反应，虚线箭头表示省略的反应。

作为SRB的代表性基因组，脱硫弧菌科（KO6.bin.24）含有参与 $SO_{4}^{2-}$ 还原的核心酶，包括腺苷酸硫还原酶α亚基（AprA）和除硫酸腺苷酸转移酶（Sat）外的异化硫还原酶α、β和δ亚基（DsrABD）。它还含有电子传递复合物QmoAB和DsrMKJOP，以及硫中继蛋白DsrC。此外，在脱硫菌科基因组中还检测到硫转运蛋白（ThiF）（图6）。

图6 从甲烷菌科和脱硫菌科的MAG推断甲烷厌氧氧化和硫酸盐还原的可能耦合途径。不存在的酶呈红色；虚线箭头表示未知路径。

图7 红树林沉积物中与深度相关的微生物驱动 $CH_{4}$ 、N和S循环及其耦合机制的概念模型。

总结

本研究通过宏基因组测序分析揭示了红树林沉积物中垂直分层的 $CH_{4}$ 、N和S循环微生物群及其耦合机制。结果表明， $CH_{4}$ 、N和S循环基因/途径沿沉积物深度变化显著，主要由pH和AVS驱动，S循环微生物在S氧化和反硝化、甲烷生成和硫酸盐还原、厌氧甲烷氧化和硫酸盐还原等重要生物地球化学过程的耦合中发挥着关键作用。S氧化与反硝化作用在表层沉积物中占主导地位，而SRB可能通过直接电子转移或零价硫与ANME形成共养关系，并推动中深层沉积物中产甲烷菌与SRB的共存。这些生物地球化学过程的元素耦合可以确保 $CH_{4}$ 、N和S循环微生物群的代谢多样性，维持红树林生态系统的功能和服务，如解毒、植物生长的N供应和温室气体排放。这项研究为全面了解红树林生态系统中微生物驱动的 $CH_{4}$ 、N和S循环基因/途径以及沿沉积物深度的可能耦合机制提供了新的见解。未来的研究需要阐明每种代谢途径中涉及的能量和物质转移的生态和分子机制，以全面描述红树林沉积物中紧密耦合的生物地球化学过程。

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