Microbial genomes retrieved from High Arctic lake sediments encode for adaptation to cold and oligotrophic environments  

從高北極湖泊沉積物中獲取的微生物基因組編碼了對寒冷和寡營養環境的適應  

來源：Limnol. Oceanogr. 65, 2020, S233–S247

《湖沼學與海洋學》第65卷，2020年，第S233至S247頁

 

摘要內容

 

研究通過高通量宏基因組測序分析了高北極最大湖泊哈森湖（Lake Hazen）沉積物中的微生物群落。結果表明：  

1. 微生物多樣性：沉積物微生物群落包含變形菌門（Proteobacteria）、疣微菌門（Verrucomicrobia）、浮霉菌門（Planctomycetes）及新發現的候選門輻射群（Candidate Phyla Radiation, CPR）。  

2. 代謝特征：基因組顯示高脂質代謝通路（如甘油降解、脂肪酸合成）和低營養吸收通路（如氮同化、芳香化合物降解），反映了對寒冷（~3.5°C）和極端寡營養環境的適應。  

3. 環境響應：微生物群落結構在空間上高度同質化，但氣候變化導致的冰川融化和營養輸入增加可能威脅其生態功能。  

 

研究目的

 

1. 揭示高北極淡水沉積物微生物的群落結構和功能潛力；  

2. 分析微生物對極端寒冷和寡營養環境的適應機制；  

3. 評估氣候變化對北極湖泊微生物群落的潛在影響。  

 

研究思路

 

1. 采樣設計：在哈森湖兩個點位（Deep Hole, 261m；Snowgoose Bay, 49m）采集沉積物巖芯，分層（0-6cm）提取DNA。  

2. 宏基因組分析：  

   ? 高通量測序（Illumina HiSeq 2500）獲得685百萬條reads，共組裝55個中等質量宏基因組組裝基因組（MAGs）。  

   ? 通過COG、Pfam等數據庫注釋功能基因和代謝通路。  

 

3. 環境參數關聯：  

   ? 測定孔隙水化學參數（NH??、NO??、SO?2?等）。  

   ? 使用丹麥Unisense微電極測量O?、氧化還原電位和pH微剖面。  

 

4. 數據分析：  

   ? 比較MAGs與參考基因組的代謝通路差異（圖3）。  

   ? 結合環境參數分析微生物群落功能（圖4）。  

 

 

測量數據及研究意義

 

1. 沉積物化學參數  

   ? 數據：NH??（0.11–0.27 mg/L）、SO?2?（低濃度）、總溶解磷（TDP）極低。  

 

   ? 意義：證實哈森湖為寡營養系統，微生物需依賴脂質存儲能量（如甘油三酯）而非外部營養輸入。  

 

2. 微剖面數據  

   ? 數據：Unisense電極測得O?濃度在沉積物表層（<0.5 cm）>0 mg/L，深層（>0.5 cm）趨近于0；氧化還原電位隨深度下降。  

 

   ? 意義：揭示氧化-缺氧梯度，驅動微生物分區（如好氧氨氧化菌在表層，硫酸鹽還原菌在深層）。  

 

3. 微生物群落數據（圖1）  

   ? 數據：MAGs以疣微菌門（14%）、β-變形菌（13%）為主；16S rRNA分析顯示β-變形菌（20%）和古菌Woesearchaeota（13%）豐度高。  

 

   ? 意義：CPR類群（如Kerfeldbacteria）的發現擴展了對未培養微生物多樣性的認知。  

 

4. 功能基因數據（圖3, 圖4）  

   ? 數據：  

 

     ? 過表達通路：甘油降解（+42%）、脂肪酸合成（+38%）、多硫化物還原（DNRA相關，+35%）。  

 

     ? 低表達通路：氮同化（-28%）、芳香化合物降解（-25%）。  

 

   ? 意義：脂質代謝增強是低溫適應的關鍵（維持膜流動性），營養通路簡化反映寡營養環境的選擇壓力。  

 

結論

 

1. 微生物適應性：脂質代謝優勢與低溫寡營養環境強相關，基因組"精簡"（如氮同化基因缺失）為能量節約策略。  

2. 群落穩定性：兩采樣點微生物組成無顯著差異（p>0.10），空間同質性高。  

3. 氣候變化威脅：冰川融化可能輸入營養和沉積物，改變寡營養生態位，影響微生物功能（如硫循環）。  

4. CPR類群的意義：占微生物多樣性的9%，提示未培養微生物在北極生態中可能起關鍵作用。  

 

丹麥Unisense電極數據的詳細研究意義

 

1. 高分辨率環境梯度刻畫：  

   ? 電極以100μm分辨率繪制O?、pH和氧化還原電位的垂直剖面，揭示沉積物從好氧表層（O?>0 mg/L）到嚴格厭氧深層（O?=0 mg/L）的陡峭梯度。  

2. 關聯微生物分區：  

   ? O?梯度與微生物功能分區直接相關：  

     ? 好氧層：富集好氧氨氧化菌（如Nitrosomonadales）。  

     ? 厭氧層：驅動硫酸鹽還原（如aprAB、dsrAB基因未被檢出但暗示潛在活性）。  

3. 指示生物地球化學過程：  

   ? 氧化還原電位下降與多硫化物還原通路（DNRA）的富集（圖3b）耦合，說明厭氧條件下硫循環的重要性。  

4. 氣候變化預警價值：  

   ? 電極數據顯示夏季冰川融水輸入可能導致深層O?消耗加速，加劇厭氧代謝（如產甲烷作用），可能釋放溫室氣體。