北极地区有大约87%由低有机碳矿物土壤组成，但对低碳永久冻土（PF）和活性层（AL）土壤中微生物活性的了解仍然有限。多种物理和生物因素可能影响碳循环，包括土壤化学、氮等养分的可用性以及现有微生物群落的结构。人们需要更好地理解地理和生态变异性对气体排放和固存的影响，以便更可靠地预测气候变化的长期后果。

2021年，田纳西大学发表于《Environmental Science and Technology》(IF=11.357)的“Comparative Metagenomics of the Active Layer and Permafrost from Low-Carbon Soil in the Canadian High Arctic”文章，通过16S rRNA测序和比较宏基因组学为北极地区土壤的微生物活性研究提供了见解。

研究设计

本研究使用16S rRNA扩增子和宏基因组测序，比较了活性层（地表以下5、35和65cm）和PF（地表以下80cm）缺乏SOC样本中的微生物类群和相关功能。

图 实验设计

主要研究结果

1、土壤的地球化学特征与细胞估计

主成分分析（PCA）表明，不同的化合物在不同深度表现出轻微升高的水平，80cm处的Na、K、Fe、Mg、Si、Ni和S浓度显著高于5cm处。基于FISH和qPCR的细胞数量评估，细菌在5cm层中占微生物的81.17%，在PF中占89.57%，而真核生物从5cm层的17.98%降至PF层的10.43%。在65cm处观察到古细菌的最大百分比（9.34%），最大值为35cm的土壤处有2.9×108个细胞。

2、微生物群落16S扩增子测序和宏基因组binning

16S扩增子结果表明，土壤样本的α多样性在5cm处最高，并随着深度的增加而显著降低（图1A），PCoA表明微生物群落在深度之间也存在显著差异（图1B）。与α和β多样性分析类似，活性层和PF层之间的分类丰度存在差异，放线菌门、Gamma-变形菌门、拟杆菌门、Patescibacteria和厚壁菌门在PF中的相对丰度较高（p<0.05），而未分类细菌，疣微菌门和Gemmatimonadota在ALs中鉴定出的丰度较高（图1C）。

图1 不同门水平和深度的α多样性和微生物群落丰度的PCoA分析

91个高质量（完整度≥70%，污染度≤10%）MAGs（图2）跨越13个细菌门；在65和80cm处仅检测到拟杆菌门和Patescibacteria MAGs。在AL和PF的深度比较中，单个MAG的相对丰度没有显著差异，ALs主要由Dormibacterota门相关的MAGs主导。PF中的微生物群落以放线菌门为主（图1），并强调了在宏基因组分析中不忽略未binnning数据的重要性

总之，两种方法结果一致，表明变形菌门、放线菌门和酸杆菌门普遍存在于所有温度的土壤中，与植物共生无关。Dormibacterota、Eremiobacterota 和 Patescibacteria 等在干燥、裸露的土壤环境中含量丰富，并且减少了多余和非必要的功能。

图2 全基因组系统发育树和热图

3、活性层（AL)和PF层的代谢潜力

评估91个MAGs是否存在与水解、发酵、电子供体利用、释放CO2和N2的能力、细菌分泌和应激反应相关的特定KEGG功能。整个群落的宏基因组中的基因丰度与MAGs分析趋势一致，通过评估了所有KO的多样性，表明总体微生物代谢潜力在不同深度之间存在显著差异（图3）。

图3 PCA分析显示了基于KO丰度的潜在代谢多样性样本之间的变化

能够编码纤维素完全降解为葡萄糖的能力的种群主要属于拟杆菌门，在80cm处的MAG丰度与5cm相比具有显著性差异。这表明降解纤维素的潜在能力是PF的一个共同特征，解冻可能会刺激微生物分解和固碳呼吸。

图4 热图显示了含有编码相应代谢的基因的MAGs的总相对丰度

4、PF中土壤微生物依赖发酵

碳降解可以通过呼吸和/或发酵发生，许多生物体能够同时进行这两种过程。在91个MAGs中，14个含有与丙酮酸发酵成乙酸盐、乳酸盐和/或丙酸盐有关的基因（图5）。乙酸盐是放线菌门的MAGs在5cm处编码的初级发酵产物，而在35和65cm处分别是Dormibacterota和放线菌门的丙酸盐。发现丙酮酸发酵为乳酸在PF中更为常见，主要通过拟杆菌门的MAGs进行，发酵在PF中SOC的厌氧降解潜力中起着重要作用。

图5 不同组的基因组启动代谢潜能

5、宏基因组功能分析

5.1甲烷、氮和硫代谢

尽管在本研究中未识别出含有编码CH4氧化的基因的MAG，但在未分箱的宏基因组数据中，在所有深度均识别出编码有氧CH4氧化基因的pmoABC/amoABC，但总体丰度较低。在MAG中也未显示N2固定，在未分箱的宏基因组数据中，参与该过程的nifH基因在65和80cm处出现，说明N2固定的潜力有限。MAG将有机碳降解与异种硝酸盐还原和/或脱氮联系起来。这些群落在PF富集程度最高，其次是65、35和5cm ALs中（图4）。

另一种潜在的厌氧电子受体是硫酸盐，可通过异种亚硫酸盐还原酶转化为硫化物。MAG_CO_72包含一个编码不同硫酸盐还原的关键基因（dsrB），虽然MAG_CO_87和MAG_ CO_263都表现出完全保守的Sox途径，但MAG_CO_72仅将硫代硫酸盐氧化成元素硫。PCA表明PF中的硫酸盐水平升高，这可能是由于硫酸盐还原酶基因丰度普遍较低。

5.2细胞色素c氧化酶在群落中广泛存在

在58个MAGs中发现了编码关键有氧呼吸酶细胞色素c氧化酶的基因，所有深度的MAGs总体上都非常丰富。它们在65cm处最低，在5cm处最高（图4）。

5.3二氧化碳固定和生物膜形成

与放线菌门结合的MAG_ME_168含有通过不完全还原三羧酸（TCA）循环编码二氧化碳释放的基因，在80cm处最丰富（图4）。

确定了进行表面附着和/或细胞外聚合物质分泌的物种，在35cm处最为丰富，显著高于65cm处（图4）。生物膜的形成有助于微生物对极端温度具有更高的抵抗力，从而有助于这些种群在冰冻条件下生存。为了在冰冻条件下存活，在44个MAG中识别出62个编码冷休克蛋白（CSP）的基因，与5和65cm处相比，PF中的CSP基因显著丰富。

在MAGs和总群落之间观察到的代谢潜力差异表明，MAGs的遗传潜力并不能完全阐明总群落的代谢潜力，这取决于MAGs的丰度。当绝大多数微生物群落没有被合并成接近完整的基因组时，应谨慎地描述微生物组成和遗传潜力，并考虑所有基因丰度。

研究结论

本研究表明，PF中的微生物群落在系统发育和功能上与ALs中的不同。宏基因组分析表明，PF富集在具有降解植物源性多糖能力的物种中，并通过发酵和硝酸盐/亚硝酸盐还原而生长，ALs中MAGs通过有氧呼吸获得能量。基因功能研究进一步表明，来自ALs的微生物群落倾向于含有更多与甲烷/氨氧化、CSP和TCS相关的基因。

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参考文献

Comparative Metagenomics of the Active Layer and Permafrost from Low-Carbon Soil in the Canadian High Arctic. Environmental Science and Technology, 2021.

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