Nature Microbiology | Grégoire Michoud组-绘制冰川融水多界微生物组的宏基因组多样性图谱

摘要：冰川融水溪流(Glacier-fed streams, GFS)是地球上最极端的水生生态系统之一，其特点是明显的寡养性和环境波动。微生物主要以生物膜的形式存在于其中，但它们如何适应这些条件仍然未知。在此，我们利用“消失的冰川”项目(Vanishing Glac

绘制冰川融水多界微生物组的宏基因组多样性图谱

● 期刊：Nature Microbiology(IF:20.5)

● DOI：https://doi.org/10.1038/s41564-024-01874-9

● 原文链接: https://www.nature.com/articles/s41564-024-01874-9

● 第一作者：Grégoire Michoud

● 通讯作者：Grégoire Michoud（gregoire.michoud@epfl.ch） & Tom J. Battin（tom.battin@epfl.ch）

● 发表日期：2025-1-2

● 主要单位：

瑞士洛桑联邦理工学院、英国生态与水文中心、捷克查尔斯大学、蒙彼利埃大学

翻译整理：荀佳妮，深圳基因组所硕士在读

摘要abstract

冰川融水溪流(Glacier-fed streams, GFS)是地球上最极端的水生生态系统之一，其特点是明显的寡养性和环境波动。微生物主要以生物膜的形式存在于其中，但它们如何适应这些条件仍然未知。在此，我们利用“消失的冰川”项目(Vanishing Glaciers project)中从9个山脉的GFS沉积物样本中获取的156个宏基因组，报道了包含原核生物、藻类、真菌和病毒的数千个宏基因组组装基因组(metagenome-assembled genomes, MAGs)，揭示了冰川融水溪流生物膜内的生物交互作用。共表征了2,855个细菌MAGs，这些MAGs展现了微生物利用无机和有机能源的多种策略，部分通过功能冗余和营养杂合实现。我们发现，随着冰川融化导致GFS中的藻类生物量增加，生物膜可能变得更加复杂，并从化能自养逐渐转变为异养。我们的MAG汇编揭示了微生物在GFS中的适应机制，并为未来研究这一可能受到气候变化影响的微生物群落提供了宝贵资源。

结果results

冰川融水溪流环境

我们对地球主要山脉的冰川融水溪流（GFS）进行了采样，覆盖了温带、北极和热带冰川，采样点海拔范围广泛，从93米到5,093米（扩展数据图1）。GFS的极端贫养性表现为溪流水中溶解有机碳（中位数：148 µg l⁻¹，四分位距（IQR）：111–247 µg l⁻¹）、可溶性反应性磷（中位数：2.0 µg l⁻¹，IQR：1.0–5.2 µg l⁻¹）和溶解无机氮（中位数：147 µg l⁻¹，IQR：75–231 µg l⁻¹）浓度持续偏低（补充表1）。此外，叶绿素a的含量——作为藻类生物量的代理指标，从而间接反映本地有机碳水平——也普遍较低（中位数：0.02 µg g⁻¹干沉积物，IQR：0.01–0.06 µg g⁻¹干沉积物）。溪流水温同样较低（中位数：1.9 °C，IQR：0.7–4.0 °C），进一步凸显了冰川融水对溪流环境的重要影响。

冰川融水溪流微生物组的跨域结构

我们从每个山脉采集了6到37个冰川融水溪流（GFS）沉积物的宏基因组样本，平均为17个。采样点位于冰川下游数十至数百米处（方法）。每个宏基因组均独立组装，生成的contigs数量中位数为7.67 × 10⁶条（IQR：5.15–9.17 × 10⁶条），中位基因组大小为4.37 × 10⁶ Mbp（IQR：3.04–5.2 × 10⁶ Mbp）（补充表2）。通过组装，我们共获得了12,599个原核生物分箱(bins)，这些分箱平均招募了22 ± 13%的宏基因组读长（方法）。这一招募比例高于完整的泰拉海样本（6.84%）和LakePulse样本（7.1%），但低于泰拉海北极样本（43.3%）。

原核生物的多样性和特异性

原核生物分箱经去重后共得到2,868个中到高质量的分箱，以下简称为原核生物宏基因组组装基因组（MAGs）。其中，649个MAGs被分类为高质量MAGs（图1a和补充表3）。无论质量如何，原核生物MAGs的大小（中位数：3.17 Mbp；IQR：2.43–4.09 Mbp）和GC含量（53.7 ± 11.2%）存在显著差异（图1a）。我们将这些MAGs分配为2,855个细菌MAGs和13个古菌MAGs，涵盖了37个已知门、89个纲、171个目、329个科和574个属（补充表3）。值得注意的是，我们无法将2个细菌MAGs归类到特定纲中，24个无法归类到目，89个无法归类到科，600个无法归类到属（图1b），这突显了这些MAGs的独特性。在我们研究中的冰川融水溪流原核生物MAGs中，21%的属尚未被报道，这一特异性高于来自西藏冰川的研究（约16%的新属，536个MAGs）和海洋研究（8.7%，3,044个MAGs），但低于来自加拿大湖泊的MAG研究（34.6%，349个MAGs）。

图 1 | 来源于“消失的冰川”项目采样的冰川融水溪流的原核生物的宏基因组组装基因组(MAGs)。

a. 原核生物宏基因组组装基因组(MAGs)不同特征的箱线图展示(N50(kbp))、基因组长度(Mbp)、完整性(%)和污染率(%))。根据数据质量将MAGs分为中等质量(N = 2,219MAGs)和高质量(N = 649MAGs)。所有箱线图包含中位数线，箱体表示四分位距(IQR，25%–75%)，须线延伸至超出这些百分位1.5倍IQR的范围，超过±1.5倍IQR的异常值以点表示。

b. 不同分类水平下MAGs新量化的堆叠条形图。

c. 细菌MAGs的最大似然系统发育树。分支颜色表示MAGs在纲级别的分类归属。在其他数据集中相似MAGs(ANI > 95%)的存在情况标注，包括来自新西兰和高加索地区的冰川融水溪流附石生物群(Busi GFS Rocks8)、米丘德冰川融水溪流(Michoud GFS)、泰拉海(Tara Oceans)和西藏冰川。由蓝到黄的渐变色表示不同MAGs的标准化丰度。

古菌MAGs属于哈罗菌门(Halobacteriota)、纳古菌门(Nanoarchaeota)和桑尔玛菌门(Thermoproteota)，仅占总覆盖度的0.06%（扩展数据图2）。哈罗菌门和桑尔玛菌门的MAGs已在冰川土壤中有所报道，可能与甲烷生成过程相关。我们在三个哈罗菌门 MAGs（GFS_3223、GFS_11005和GFS_10563）中发现了mcrA基因，该基因标志着氢营养甲烷生成，支持冰川融水溪流（GFS）中可能存在甲烷生成。这些MAGs质量较高，完整性超过81%，污染度低于2%。在其中两个MAGs（GFS_3223和GFS_11005）中，所有mcrABDG基因均位于同一contig上，并且与其他已知的甲烷生成簇相似，进一步证实了这些哈罗菌门 MAGs具有甲烷生成能力（扩展数据图3）。这些MAGs出现在鲁文佐里(Rwenzori)山脉和高加索地区的冰川融水溪流中。至于它们是否源自已知含有甲烷生成古菌的冰川下环境，还是在GFS中原位生长，目前尚无法得出结论。

细菌MAGs主要包括伪单胞菌（Gammaproteobacteria）（n = 558）、α-变形菌（Alphaproteobacteria）（n = 320）和拟杆菌（Bacteroidia）（n = 463），分别占相对丰度的39.4%、12.6%和10.4%（图1c）；这一分布与先前的地方性研究结果一致。将来自GFS的细菌MAGs与其他冰冻圈微生物组进行比较（平均核苷酸同一性（average nucleotide identity, ANI）>95%；方法）（图1c），我们发现与瑞士阿尔卑斯山的冰川前溪流的最新研究存在较大重叠（n = 333，22.5%的相对丰度）。值得注意的是，只有162个MAGs（8.7%的相对丰度）与GFS中覆盖岩石的生物膜中的MAGs共享，这突显了沉积生态位在物理稳定性、化学梯度、紫外辐射、温度变化和干燥等方面的差异。与来自西藏冰川的MAGs（n = 80，2.8%）和北极海洋的MAGs（n = 1，0.03%）的重叠较少。从冰川到海洋的河流连续体潜在终端生态系统之间的低重叠，进一步突显了GFS原核生物的独特性和新颖性，特别是考虑到它们在相对丰度中占据的最大比例为6%（图1c）。这一发现与扩增子测序结果一致，揭示了GFS底栖细菌与冰川冰和GFS溪流水中细菌的显著差异。

真核生物的多样性

真核微生物是GFS生物膜的关键组成部分。藻类负责溪流中的大部分初级生产，并且随着冰川融化，浑浊度增加和光照减少，藻类在GFS中的作用可能变得更加重要。此外，担子菌(Basidiomycetes)和子囊菌(Ascomycetes)能够降解有机物，而壶菌(Chytridiomycetes)可能寄生于底栖藻类。我们组装了106个真核生物MAGs，其中42个的完整性超过30%（补充表4），这些MAGs分别属于金藻门(Chrysophyceae)（n = 12）、后生动物(Metazoa)（n = 10）、真菌（n = 13）和硅藻门（n = 3）（扩展数据图4）。我们发现，该群落主要由金藻门（相对丰度为54.7%）、后生动物（33.2%，主要为无脊椎动物）和绿色植物门（4.3%）组成。大多数金藻门MAGs与水树藻(Hydrurus foetidus)最为相似，后者是重要的初级生产者，并为无脊椎动物提供资源。

在13个真菌MAGs中，四个被归类为接合菌纲（例如，与Gorgonomyces和Quaeritorhiza相关），其余的则初步归类为子囊菌门。这两种接合菌是已知的藻类寄生菌，因此它们可能在冰川融水溪流（GFS）的营养动态中发挥作用。

病毒的多样性

最近有研究报告显示，高山溪流中的底栖生物膜中存在病毒。在筛选未分箱的contigs、原核生物和真核生物MAGs时，我们识别出了4,872个高质量或完整的病毒MAGs。病毒MAGs的平均大小为47.6 kbp，唯一的例外是两个属于巨型病毒藻病毒目（Phycodnaviridae）的成员，它们的基因组大小超过450 kbp。大多数病毒MAGs（88.3%）被归类为有尾噬菌体目(Caudoviricetes)，但其中超过一半的分类尚未进一步解码。考虑到GFS中细菌丰度较低且有空间隔离性，病毒的多样性和普遍性显得尤为引人注目。

冰川融水溪流微生物组的区域模式

通过探索原核生物MAGs的地理分布（方法），我们发现分类组成情况倾向于根据山脉区域对冰川融水溪流进行划分（图2a）。聚类结果反映了山脉区域的空间接近性，邻近的山脉比远离的山脉具有更高的相似性。置换多变量方差分析（PERMANOVA）表明，空间隔离对空间模式的贡献最大（F7,8.2 = 7.5，R2 = 0.36，P = 0.001）。除了空间因素外，环境参数（例如，pH值、可溶性反应性磷、溶解氧）与分类和功能组成也存在相关性（图2b）。其中一些参数与冰川覆盖度相关，揭示了冰川对GFS特异性环境的影响。

图 2 | 冰川融水溪流微生物组的区域分布和环境驱动因素。

a、MAG组成的非度量多维尺度排序（NMDS），GFS根据山脉区域聚类（相似性分析（ANOSIM）R = 0.56，P = 0.01）。

b、双向Spearman相关矩阵展示了环境参数的协方差，颜色渐变表示相关性强度，而方格的大小则反映了参数间关联的强度（无论是负相关还是正相关）。此外，还展示了分类和功能组成与环境参数之间的关系；边缘的粗细和颜色分别对应Mantel的r值和P值统计量。

c、Levin的生态位宽度指数用于将MAGs分类为普遍和特异。显著性通过零假设模型和999次置换评估。

接下来，我们根据MAGs的生态位宽度，使用Levin指数将其分类为栖息地普遍和特异（图2c）。广泛分布的分类群被归类为普遍，认为它们由于具有较高的功能可塑性，对环境条件的依赖较小；而特异则具有较窄的分布，表明它们对当地环境条件具有较好的适应性。我们发现了281个普遍MAGs（占12.6%的丰度）和1,895个特异MAGs（占62.7%的丰度）；有619个MAGs（占24.8%的丰度）无法显著归入任何类别（扩展数据图5）。特异MAGs的主导地位突显了GFS环境施加的环境筛选作用。与此一致的是，我们发现普遍MAGs主要是混合营养型（即自养–异养型），且其基因组大小大于特异MAGs（扩展数据图6和图7），这一点支持了普遍具有更高功能可塑性的观点。特异MAGs主要是光自养型（例如，蓝藻）或没有明确营养状态特征（例如，变形菌门(Patescibacteria)）。我们注意到，特异MAGs的整体基因组较小，部分原因是变形菌门，它们以较小的基因组和低丰度存在（284个MAGs，占2%的相对丰度）。特异还包括区域性丰富的拟杆菌属（Bacteroidota），而普遍则包含丰富的伪单胞菌和α-变形菌（扩展数据图5）。

冰川融水溪流微生物组的功能性

代谢途径和功能冗余

GFS微生物的代谢受到营养物质和能量的限制，这些因素随着季节变化而波动（例如，来自初级生产的有机源和来自化学风化的无机源）。为了更好地理解细菌如何应对不同资源的代谢特征，我们查询了参与碳、氮、硫、氢和氧代谢的酶的参考基因（方法）。我们发现，大多数代谢途径通常在多个细菌类别中都有编码（图3a）。值得注意的例外是Paceibacteria和Saccharimonadia，它们属于变形菌门(Patescibacteria)门，并且编码涉及能量代谢的基因较少。