环境周报 | 微生物重要期刊最新研究进展(20211011)

2021
10/12

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微生态
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科研一览。


Nature子刊

科研 | Nature Communications:不同沉积物微生物菌群塑造了北极湖泊甲烷排放温度敏感性

本文由艾奥里亚编译

美国俄亥俄州立大学(The Ohio State University)的Joanne B. Emerson于2021年10月5日在Nature Communications上发表了题为《Diverse sediment microbiota shape methane emission temperature sensitivity in Arctic lakes》的文章,该单位的Joanne B. Emerson和Virginia I. Rich与美国新罕布什尔大学(University of New Hampshire)的Ruth K. Varner共同担任该研究通讯作者。高纬度地区,湖泊和池塘被认为是未被充分研究的甲烷(CH4来源。温度被视为是CH4排放的强有力的预测因子,在无冰时期,较高的温度会增加CH4的排放。但这种温度响应的空间变化程度和驱动因素目前尚不清楚,尤其是在湖泊当中。为了解决这一知识空白,笔者分析了属于冻土生态系统中的湖泊的6年期间的CH4排放情况。基于研究笔者CH4排放模式与底层沉积物中微生物菌群和生物地球化学相关联。同时笔者提出,在未来的研究中应考虑微生物菌群、碳量和温度对湖泊CH4排放的综合影响包括进一步探索不同位点沉积物深度层面和不同年份对总CH4排放的贡献,这将有助于更全面地了解全球CH4排放的时空控制

 

摘要:北部冰川期后形成的湖泊能够通过微生物从沉积物中迸发出甲烷(CH4),进而增加了大气的碳来源,因此具有十分重要的意义。所迸发出的CH4通量与温度密切相关,这反映了太阳辐射驱动的CH4排放。然而,我们的研究表明,在瑞典,两个冰川期后湖泊的温度与CH4通量关系的斜率在空间上存在差异。我们将这些CH4排放模式与沉积物微生物(宏基因组和扩增子)、同位素和地球化学数据进行了比较。与湖泊边缘相比,在CH4排放中与温度相关的增加在湖泊中间层更大,在该位置产甲烷菌更丰富,而边缘和中间层之间的沉积物群落存在明显。在微生物丰度方面,包括CH4循环微生物和共营养微生物的丰度,可预测孔隙水中CH4浓度。这些结果表明,那些较深的湖泊区域(目前排放的CH4少于较浅的边缘)可以大幅增加升温北极的CH4排放,同时通过解释沉积物微生物群的空间变化,能够改善对CH4排放的预测。


论文ID

原名:Diverse sediment microbiota shape methane emission temperature sensitivity in Arctic lakes

译名:不同沉积物微生物菌群塑造了北极湖泊甲烷排放温度敏感性

期刊:Nature Communications

IF:14.919

发表时间:2021年10月5日

通讯作者:Joanne B. Emerson,Virginia I. Rich,Ruth K. Varner

通讯作者单位:美国俄亥俄州立大学(The Ohio State University);美国新罕布什尔大学(University of New Hampshire)

DOI号:10.1038/s41467-021-25983-9

原文链接:

https://www.nature.com/articles/s41467-021-25983-9

ISME Journal

科研| The ISME Journal:基因变异的宏观生态分布突出了土壤微生物系统的功能组织

本文由鼻涕编译

奥克拉荷马大学(University of Oklahoma)环境基因组学研究所和微生物与植物生物学系的Arthur Escalas等人于2021年09月27日在The ISME Journal发表题为《Macroecological distributions of gene variants highlight the functional organization of soil microbial systems》的文章,以利用宏观生态模型评估土壤中微生物功能基因在不同尺度上的分布,识别了这些系统中丰富和罕见的功能。该研究构建了来自全球10个地点采集的818个表土微生物群落,代表着不同的生态系统类型(苔原、草地、森林、灌木林地和牧场)的功能基因阵列(FGA)数据库。利用FGA将微生物群落DNA杂交到一组39,681个与194个功能基因的变体相对应的探针中,这些功能基因编码了微生物在生物地球化学循环、污染物分解、毒力和抵抗各种物理和化学胁迫方面的各种功能。沿着从低丰度和有限发生到高丰度和双丰度的连续序列对基因进行分类,通过对这些基因的功能研究,表明了在土壤生态系统中,稀有和常见的微生物基因编码不同的功能。回答了 “微生物的功能是如何在土壤系统中分布的?” 这一简单但目前尚未回答的关键问题。

 

摘要:近年来,宏观生态学工具和概念的应用使得微生物多样性分布的一致性模式成为可能,这极大地提高了我们对微生物世界的认识。然而,从宏观生态学的观点来看,微生物功能的分布在很大程度上仍是未知的。该研究使用宏观生态模型来研究编码微生物功能能力的基因是如何在土壤系统内部和跨土壤系统分布的。利用818个土壤微生物群落的功能基因阵列数据建立的模型表明,各研究点的基因占据频率分布呈双峰型,其秩丰度分布最适合用对数正态分布模型描述。此外,所有位点的基因占有与丰度的关系均为正相关。这使得我们能够识别高丰度和普遍分布的基因(核心,core)和低丰度和有限空间分布的基因(卫星,satellites),并表明它们编码不同的微生物特征集。常见基因编码与主要生物地球化学循环(C、N、P和S)相关的微生物性状,而罕见基因编码与适应环境胁迫相关的性状,如营养限制、对重金属的抗性和外来生物的降解。本研究首次揭示了土壤系统中微生物功能基因的分布,并强调了宏观生态模型对理解微生物系统在空间尺度上的功能组织的兴趣。

 

论文ID

原名:Macroecological distributions of gene variants highlight the functional organization of soil microbial systems

译名:基因变异的宏观生态分布突出了土壤微生物系统的功能组织

期刊:The ISME Journal

IF:10.302

发表时间:2021.09.27

通讯作者:Arthur Escalas

通讯作者单位:奥克拉荷马大学环境基因组学研究所和微生物与植物生物学系

DOI号:10.1038/s41396-021-01120-8

原文链接:

https://www.nature.com/articles/s41396-021-01120-8


本研究使用的分析框架示意图(原文中图1):这张图描述了本研究 (A, B, C) 用于评估功能性基因变异的宏观生态分布和关联它们编码功能的数据分析的不同步骤。





科研 | The ISME Journal:在溪流中分解凋落物的微生物:是来自树叶还是从水中定殖?

本文由沐木编译

树叶凋落物进入陆地和水生栖息地,推动生物地球化学循环,推动大型食物网络的发展,而微生物在这个过程中扮演着重要的分解者的角色。北亚利桑那大学生物科学系生态系统科学与社会中心Michaela Hayer等人于2021年9月27日在The ISME Journal上发表了题为《Microbes on decomposing litter in streams:entering on the leaf or colonizing in the water?》的文章。该研究使用细菌16S rRNA基因真菌ITS测序对四种河岸常见树种的干叶凋落物上的微生物组进行了表征,并使用 18O-H2O qSIP 量化了沉水凋落物在两个时间段上细菌和真菌的生长速率,探讨解决了以下问题:(1)沉水凋落物上生长的微生物群落来源?(2)从同一流域的树木中采集的不同凋落物种类下,随树叶进入的微生物组成是否有所不同?这种最初的印记在分解凋落物上是否有显示?(3)沉水凋落物上生长的微生物的组成在不同的植物种类和时间上有什么不同?(4)细菌和真菌的反应模式是否相同?本研究表明,大多数在水下生长的真菌都有一个陆地生命阶段,并随凋落叶进入水中。这项研究证实了当下普遍沉水凋落物上陆生真菌的观点也推动了这一领域的进一步发展。另外,作者提出水生微生物的分子数据库的迅速增加,将有助于识别不同环境中微生物之间的生态相互作用。利用同位素支持基因组学的未来研究将使生态学家了解微生物群落如何超越生态系统边界并影响陆地和水生生态系统的生物地球化学循环。

 

摘要:当树叶落在河里时,微生物会在数小时内开始分解。由数百种真菌和细菌组成的微生物组合可能随河流条件、落叶种类和分解阶段而异。在陆地生态系统中,真菌和细菌随枯叶进入土壤,在分解中发挥着重要的作用,但它们在水生分解中的作用尚不为人所知。在本研究中,我们测试了随枯叶进入溪流的真菌和细菌是否在分解过程中生长,并将它们的丰度和生长情况与水中寄生在树叶上的细菌和真菌进行了比较。我们采用定量稳定同位素探测技术,鉴定了四种落叶物种和两次分解过程中生长的微生物。我们发现,大多数生长在分解叶片上的真菌来源于叶片,而大多数的细菌则是从水流中定殖。结果表明,凋落物上发现的大多数细菌处于生长状态,而大多数真菌处于休眠状态。在枯叶和整个分解过程中,细菌和真菌的组合会因叶型而不同。这项研究证明了随凋落叶一起进入的真菌物种在水生分解中的重要性以及从水中定殖到凋落叶上的细菌进行水生分解的突出作用。

 

论文ID

原名:Microbes on decomposing litter in streams: entering on the leaf or colonizing in the water?

译名:在溪流中分解凋落物的微生物:是来自树叶还是从水中定殖?

期刊:The ISME Journal

IF:10.302

发表时间:2021年9月27日

通讯作者:Michaela Hayer

通讯作者单位:北亚利桑那大学生物科学系生态系统科学与社会中心

DOI号:10.1038/s41396-021-01114-6

原文链接:

https://www.nature.com/articles/s41396-021-01114-6

Molecular Ecology

科研 | MOLECULAR ECOLOGY:重复的个体采样揭示了热带和温带生境对候鸟微生物群的影响

本文由蓝胖儿编译 

美国芝加哥大学进化生物学委员会Heather R. Skeen等人于2021年9月28日在MOLECULAR ECOLOGY发表题为《Repeated sampling of individuals reveals impact of tropical and temperate habitats on microbiota of a migratory bird》的文章,本研究通过无线电对在过冬地的黑纹背林莺(Setophaga kirtlandii个体进行了标记,然后通过使用自动遥测塔在密歇根州繁殖地重新捕获相同的鸟类。本研究使用16S rRNA测序技术对个体的细菌群落进行分类,研究了在种群和个体水平上黑纹背林莺在年度周期的三个不同时期的细菌群落多样性,并评估宿主性别、年龄、年周期和位置对肠道微生物群丰度和多样性的影响,最终确定了黑纹背林莺是否存在共同的细菌图谱

 

摘要:在整个年度周期中,迁徙动物如果经历饮食和栖息地重大变化,可能会在宿主相关微生物多样性方面发生相应的变化。利用自动遥测技术和无线电标签捕获鸟类,本研究首先对在巴哈马过冬的黑纹背林莺(Kirtland's Warbler,Setophaga kirtlandii)取样,随后在密歇根的繁殖地内重新取样,首次取样是在3月和4月,重新取样是在5月、6月和7月初,检测了同一种群和同一个体的肠道微生物群结构。林莺的微生物群中最丰富的门和纲的组成与其他候鸟相似。然而,本研究发现许多细菌类群的丰度和多样性存在显著差异,包括比较首次在巴哈马捕获的鸟类和在密歇根重新捕获的鸟类的微生物群落时,微生物丰度的降低,微生物群落的显著差异。这是在个体和种群水平上观察到的。此外,本研究发现22个细菌属在特定采样周期内表现出较高的丰度,可能与饮食和环境变化有关。最后,本研究描述了一个小型的、物种特异性的共享微生物概要,它包括了迁徙周期内的多个时间段和环境。本研究强调,随着时间的推移,鸟类肠道微生物群是随时间变化的,受与迁移相关的环境变化的影响最为显著。这些结果表明了对候鸟微生物群进行全年周期监测的必要性,以提高对季节性宿主运动生态学和周期性生理应激的反应的理解。

关键词:年度周期、黑纹背林莺Kirtland's Warbler、迁徙、新北区-新热带、重新捕获

 

论文ID

原名:Repeated sampling of individuals reveals impact of tropical and temperate habitats on microbiota of a migratory bird

译名:重复的个体采样揭示了热带和温带生境对候鸟微生物群的影响

期刊:MOLECULAR ECOLOGY

IF:6.185

发表时间:2021.9.28

通讯作者:Heather R. Skeen

通讯作者单位:美国芝加哥大学进化生物学委员会

DOI号:10.1111/mec.16170

原文链接:

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1111/mec.16170

Geoderma

科研| Geoderma:缺水环境下土壤有机质对覆盖种植的响应

本文由大头虾编译

美国新墨西哥州立大学植物和环境科学系,农业科技中心的Rajan Ghimire等人于2021年10月1日在Geoderma发表题为《Response of soil organic matter to cover cropping in water-limited environments》的研究成果,该文章研究了有限灌溉条件下冬小麦 (Triticum aestivum L.) -高粱 (Sorghum bicolor L. Moench)-休耕轮作中不同覆盖作物和混播对土壤有机碳和氮组分的响应,证明了在缺水环境下,作物轮作可以改善土壤健康状况

 

摘要:在农业生态系统中推广覆盖作物是为了改善土壤健康和土壤碳 (C) 固存,但在缺水环境中,不同土壤有机碳 (soil organic carbon ,SOC) 和氮 (N) 组分对覆盖作物的响应尚未被量化。本文研究了有限灌溉条件下冬小麦 (Triticum aestivum L.) -高粱 (Sorghum bicolor L. Moench) -休耕轮作中不同覆盖作物和混播对土壤有机碳和氮组分的响应。覆盖种植处理包括(1)豌豆 (Pisum sativum L.)、燕麦 (Avena sativa L.) 和油菜 (Brassica napus L.);(2)豌豆+燕麦 (POmix)、豌豆+油菜 (PCmix) 、豌豆+燕麦+油菜 (POCmix) 和豌豆+燕麦+油菜籽+毛野豌豆 (Vicia villosa Roth)+饲用萝卜 (Raphanus sativus L.) +大麦 (Hordeum vulgare L.) 的6种混合物种 (SSmix);(3)休耕。在轮作的每个阶段,采用完全随机区组设计安排覆膜作物处理。然后本文分别于2019年和2020年夏季在2015年秋季建立的研究样地 0 -15 cm深度采集土壤样品,并分析不同土壤有机质 (soil organic matter,SOM) 组分。研究发现,覆盖作物土壤无机氮比休耕低7-36%。PCmix的24 h CO2-C含量比休耕、油菜和SSmix高48-73%。终止后36 d,豌豆、SSmix和POCmix的颗粒有机碳 (organic carbon,OC) 含量比休耕高61-69%。燕麦的有机碳含量比豌豆、油菜籽、POmix和SSmix高9.3-22% 。同样,燕麦的全氮含量比SSmix和油菜分别高10%和22%。中等团聚体 (250 μm-2 mm和53-250 μm) 中有机碳和全氮的增加最为显著。土壤有机碳 (SOC)、土壤pH、活性有机氮 (labile organic nitrogen,LON) 、矿物伴生有机氮 (mineral-associated organic nitrogen,MAON) 和微生物生物量碳 (microbial biomass carbon,MBC) 是土壤健康的最小数据集。有机碳和全氮组分对不同覆盖作物处理的响应不同,燕麦及其混合覆盖作物的有机碳和全氮含量高于其他覆盖作物。在缺水环境下,作物轮作可以改善土壤健康状况。

关键词:覆盖作物,土壤健康,土壤有机碳,土壤团聚体,最小数据集

 

亮点:

1. 燕麦的有机碳和全氮含量高于其他覆盖作物。

2. 豌豆单独或混合处理均有较高的无机氮和颗粒有机碳含量。

3. 中等团聚体的有机碳和全氮积累量较大。

4. SOC、pH、LON、MAON和MBC是土壤健康评价的最低数据集。

 

论文ID

原名:Response of soil organic matter to cover cropping in water-limited environments

译名:缺水环境下土壤有机质对覆盖种植的响应

期刊:Geoderma

IF:6.114

发表时间:2021.10.1

通讯作者:Rajan Ghimire

通讯作者单位:美国新墨西哥州立大学植物和环境科学系,农业科技中心

DOI号:10.1016/j.geoderma.2021.115497

原文链接:

https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0016706121005772

AEM

科研| Applied and Environmental Microbiology:催化产能和储能电极反应的微生物群落的宏基因组学和宏转录组学特征

本文由景行编译

华盛顿海军研究实验室生物/分子科学与工程中心的Sarah M. Glaven等人于2021年10月6日在Applied and Environmental Microbiology发表题为《Metagenomic and metatranscriptomic characterization of a microbial community that catalyzes both energy-generating and energy-storing electrode reactions》的文章。本研究采用宏基因组学和RNA测序 (RNA-seq) 对CANode(Cathode-ANode,阴极-阳极)的微生物群落进行了表征,并对初级微生物电极催化剂进行了鉴定。结果表明,以前未被表征脱硫杆菌科(Desulfobulbaceae) 的成员(与Desulfurivibrio alkaliphilus关系最密切),它进行的代谢过程可以解释能量产生和能量储存反应。CANode群落能够根据电极电位生成或存储电流。因此,CANode系统可以被认为是一个有生命力的“可充电电池”。本研究结果表明,单一生物体可能负责能量产生和能量储存反应这两种反应,证明了电活性细菌的新范式。

 

摘要:电活性细菌是活催化剂,通过细胞外电子转移 (extracellular electron transfer,EET) 介导阳极的能量产生反应或阴极的能量储存反应。阴极-阳极(Cathode-ANode,CANode)生物膜群落最近被证明可以促进这两种反应,但是,主要成分的表征和潜在的分子机制仍然未知。本研究使用宏基因组学和宏转录组学来表征CANode生物膜。研究发现之前未被表征的Desulfobulbaceae家族成员—Desulfobulbaceae-2,相对丰度<1%,具有最高的相对基因表达,占所有差异表达基因的60%以上。在阳极电位,已知参与乙醇氧化的保守黄素氧化还原酶(flavin oxidoreductase,Flx) 和异二硫键还原酶 (heterodisulfide reductase,Hdr) 基因的差异表达表明能量产生反应的电子来源。Desulfobulbaceae-2在两种电位下都表达了硫酸盐和二氧化碳还原途径的基因,这些基因被认为是能量储存反应。还原反应可能是由电极直接吸收电子或由阴极电位产生的氢介导的。预计Desulfobulbaceae-2基因组编码至少85个多血红素(≥3个血红素) 细胞色素c,其中一些有多达26个血红素结合域,可以促进电极的可逆电子转移。其他CANode生物膜物种的基因表达也受到电极电位的影响,虽然影响程度较小,但不能排除它们对观察电流的贡献。本研究结果提供了与能量存储和能量产生反应相关的基因表达的证据,并将使CANode生物膜作为微生物驱动的可充电电池的发展成为可能。

关键词:宏基因组学、宏转录组学、微生物电化学技术、阴极、阳极、硫酸盐还原菌、电自养、生物电化学系统

 

重要性:微生物电化学技术 (Microbial electrochemical technologies,METs) 依靠电活性细菌来催化电极的能量产生和能量储存反应。已知的电活性细菌不能同时进行两种反应,并且MET通常配置为单向的。本研究报告了最近描述的称为阴极-阳极 (Cathode-ANode,CANode) 的微生物电极群落的基因组和转录组学特征。CANode群落能够根据电极电位生成或存储电流。在不需要能量的时期,由太阳能等可再生能源产生的电子可以转化为储能化合物,随后被相同的微生物催化剂可逆地氧化。因此,CANode系统可以被认为是一个有生命力的“可充电电池”。研究结果表明,单一生物体可能负责这两种反应,这证明了电活性细菌的新范式。

 

论文ID

原名:Metagenomic and metatranscriptomic characterization of a microbial community that catalyzes both energy-generating and energy-storing electrode reactions

译名:催化产能和储能电极反应的微生物群落的宏基因组学和宏转录组学特征

期刊:Applied and Environmental Microbiology

IF:4.792

发表时间:2021.10.6

通讯作者:Sarah M. Glaven

通讯作者单位:华盛顿海军研究实验室生物/分子科学与工程中心

DOI号:10.1128/AEM.01676-21

原文链接:

https://doi.org/10.1128/AEM.01676-21



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关键词:
微生物群,微生物,CH4,凋落物,湖泊

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