ISME J｜宏基因组揭示不同深度微生物在坦噶尼喀湖生物地球化学循环中的作用
转载：西湖环境微生物组 生态环境科学
转自：西湖环境微生物组
编译：高寒 校稿：赵泽
论文ID
原名：Depth-discrete metagenomics reveals the roles of microbes in biogeochemical cycling in the tropical freshwater Lake Tanganyika
译名：宏基因组揭示不同深度微生物在坦噶尼喀湖生物地球化学循环中的作用
期刊： The ISME Journal
第一作者：Patricia Q. Tran
发布时间：2021
导读
坦噶尼喀湖（Lake Tanganyika）是位于东非大裂谷区域的最大的热带淡水湖泊（世界第二大淡水湖），也是地球上最大的缺氧水体。坦噶尼喀湖深1470 m，含氧量高的表层水（70 m以上）覆盖了一个永久性的缺氧层，表层水光照充足而营养贫乏，底层水营养丰富。微生物物种组成变化及其营养循环随水深的变化规律，还研究较少。本文以基于组装的宏基因组学为研究手段，对湖水微生物在垂直深度上的分布和功能进行了系统性的研究。有氧混合表层和缺氧深层水体的微生物组成和代谢潜力有明显的差异：表层以典型的淡水物种为主，而深层水体以古菌和候选门级辐射类群（candidate phyla radiation，CPR）为主。这与不同深度微生物在物质循环过程中的作用密切相关。本文所涉及的水生微生物宏基因组的分析方法、附带的分析流程和脚本等也具有很强的可参照性和借鉴意义。
研究方法
采样点选择了坦噶尼喀湖与Kigoma和Mahale市相近的两个区域，在2015年采集了从表层到最深达1200 m的共24个湖水样品，过滤到0.2-μm 硝化纤维滤膜上，提取DNA后，通过HiSeq 2500平台进行宏基因组测序，读长为2×150 bp，目标插入片段为240 bp。组装采用MetaSPADEs，每个样品分别用MetaBat1、MetaBat2和MaxBin2分箱，经DASTool整合后获得3948个MAG；通过dRep、CheckM和DASTool，选择完整度大于50%，污染小于10%的非冗余基因组，得到523个MAG进一步分析。通过BBMap获得MAG的相对覆盖度，合并24个宏基因组样品中，每个重叠群的总覆盖度。通过覆盖度除以每个宏基因组的总reads数，将覆盖度按宏基因组大小进行标准化。作者建立了16个单拷贝核糖体蛋白（RP16）的隐马尔可夫模型，用于从MAG序列中鉴定上述蛋白基因，建立系统发育树；作者通过RP16基因的系统发育关系和GTDB-tk两种方式完成MAG的物种鉴定。此外为了将MAG与淡水微生物生态系统相关联，采用CheckM的ssu finder找到了523个MAG中，313个MAG的16S rRNA基因，在TaxAss中依照一个淡水生物数据库（FreshTrain）进行注释。对于三个通过进化关系不能分类确定的近蓝藻MAG，作者以309个蓝藻基因组建立了RP16进化树，并计算三个MAG同309个蓝藻基因组的ANT值，结合GTDB-tk的结果，确定这三个MAG属于蓝藻纲Sericytochromatia。另外，本文还比较了同为深水湖泊的贝加尔湖的物种多样性和坦噶尼喀湖的差异。MAG的代谢潜力分析同时采用METABOLIC（https://github.com/AnantharamanLab/METABOLIC）和（IMG/Mhttps://img.jgi.doe.gov/cgi-bin/m/main.cgi）完成。
结果与讨论
坦噶尼喀湖水体在50-100 m深度上溶解氧变化明显，在100 m时DO饱和度降为0，同时，硝酸盐浓度在100 m水深时达到峰值（100 μg/L），此后随水体缺氧状态而快速下降。
1、坦噶尼喀湖微生物组在523个中高质量的非冗余MAG中，包括了24个古菌和499个细菌基因组。其中，三个基因组组成了Sericytochromatia纲的单独一枝，同其他非光合蓝藻基因序列ANI值小于75%，因此，本文以Candidatus Tanganyikabacteria命名这一分枝。这些非光合的蓝藻相关微生物的存在，说明光合自养并不是蓝藻门的原始特征。本研究首次在淡水湖泊中发现Sericytochromatia纲微生物（图1）。微生物群落组成和相对丰度（RAR）在上层有氧水层和深层缺氧水层有很大差异。在80 m和120 m水深时，古菌占比达到30%，且随深度增加比例上升。CPR的丰度也随深度增加而增加。
图1. A蓝藻及其非光合分枝的进化树。其中，坦噶尼喀湖得到的三个Sericytochromatia的MAG用蓝色标出，其中LT的MAG是仅有的具有反硝化功能的基因组（m2_071），且基因组完整度约97%。B基因组水平的ANI比较。
2、坦噶尼喀湖微生物组与其他深水淡水湖泊的差异奇古菌门（Thaumarchaeota）是坦噶尼喀湖（LT）和另一个深水湖泊贝加尔湖（LB）深部水体的主要微生物，分别占到了RAR的10%和20%。CPR细菌在两个湖都有发现。有趣的是，在LT深层水体发现的59%的物种未能在LB深层被发现，而在LB发现的68%的细菌都存在于LT样品中。LB和LT两个湖泊的蓝藻丰度分别为1%和14%。Desulfobacterota这种硫循环关键物种，仅在LT中被发现。虽然两个湖泊都有上千年的历史和相似的水深，其环境要素却有很大差异：LT地处热带，氧浓度梯度明显；而在西伯利亚的LB季节性温差大，水体混合强，且伴有底层流，底部氧浓度比LT高。例如能够产生H2S的Desulfobacterota仅在低氧湖泊中出现，反应出这种生态位差异造成的影响。
3、坦噶尼喀湖水体不同深度微生物参与的碳、氮和硫循环通过比较表层、150 m和1200 m样品中获得的MAG的代谢潜力，三个深度的样品代表了湖中三个不同的生态位：表层的氧浓度高，营养盐水平低；而150 m深度时，水温和DO的变化较小，仅存在年际变化；在1200 m深度，是一个稳定、黑暗、富营养和缺氧的环境。在三个不同的深度，微生物表现出的碳、硫和氮循环过程有着明显差异（图2）。具有有机碳氧化代谢途径的微生物占有氧水层以下群落RAR的99%。厌氧过程相关微生物如产甲烷菌和甲烷营养菌在1200 m样品丰度更高。碳水化合物活性酶基因丰度在Verrucomicrobia，Lentisphaerae和CP Shapirobacteria中最高。同时糖苷水解酶主要存在于Verrucomicrobia和Planctomycetes，这同其他淡水湖泊的研究结果相似。LT的蓝藻属于聚球藻目，不具有固氮基因，而在少氧和缺氧深度，则发现了一系列固碳微生物。坦噶尼喀湖在氧浓度梯度上的微生物生物地球化学循环过程总结为图3。氧跃层是LT水体中甲烷相关微生物活动的分界线，在氧跃层以下的甲烷含量更高，前期研究表明厌氧甲烷氧化能够降低缺氧区的甲烷含量。而氧跃层的移动可能导致深层甲烷向大气环境释放。
图2.微生物对LT碳、氮、硫循环的贡献和对应微生物在不同深度的分布。
LT的氮来源主要为大气沉降和河流输入。湖水表层的硝酸盐会快速被微生物消耗，因而表层多处于氮限制状态。硝酸盐的峰值在氧跃层，随着深度的增加而再次降低，铵根离子随之上升。固氮基因存在于蓝藻门、β变形菌门和γ变形菌门的微生物中，但LT获得的蓝藻MAG中不存在固氮基因。在LT沿岸水域，底栖蓝藻和硅藻是主要固氮生物，在临近的Malawi湖，固氮量达到氮总量的30%。根据本文结果，作者提出假设：氧跃层是硝酸盐氧化的活跃区域，反硝化多发生在氧跃层之下。此外，厌氧氨氧化（anammox）过程也可能是溶解态无机氮降低的途径，15N标记实验也发现LT在100 m左右有很强的anammox过程。在样品中发现的浮霉菌门的Brocadiales也支持了这个结论。硫循环相较于碳氮磷循环，在淡水湖泊中研究较少。LT水体中H2S含量在300到1200 m稳定在约30 μM。H2S主要由亚硫酸盐还原、硫代硫酸盐歧化和硫还原产生，所有这些过程都需要弱氧环境，用硫代替氧气做为电子受体完成转化。有趣的是，在这样一个缺氧湖泊中，具有还原态硫的氧化能力的微生物丰度要高于具有硫还原能力的微生物。这可能和LT的地球化学特征有关：作为一个裂谷湖泊，LT具有湖底热液口，能够产生大量H2、H2S和CH4，使热液口周围形成了生物量丰富的白色和棕色微生物垫。
图3.不同微生物在LT碳、氮、硫循环中的作用示意图。
总结
本文以宏基因组学为基础，对热带缺氧淡水湖泊进行了系统性的研究和全面的分析，研究方法和行文思路具有宏基因组学研究的典型性，从这一点来说，本文具有一定的参考价值。方法上，作者采用的基于宏基因组数据的物种注释方法、新物种的发现和鉴定也具有诸多的借鉴之处。但从研究对象角度，深水湖泊的环境特征相较于浅水湖泊有极大的差异，深水湖泊受长时间尺度气候变化的影响更显著，而浅水湖泊受短期或季节性天气变化的影响更明显。
