七月每日一文（7.21-7.30）
七月流火
7.21
焦化废水有氧到厌氧处理过程中细菌、古菌群落的变化
参天大葱
焦化废水（Coking wastewater）是炼焦、煤气在高温干馏、净化及副产品回收过程中，产生含有挥发酚、多环芳烃及氧、硫、氮等杂环化合物的工业废水，是一种高CODcr、高酚值、高氨氮且很难处理的一种工业有机废水。膜生物反应器（Membrane bioreactor , MBR），因其高效能在废水处理领域具有广泛的应用。因厌氧膜生物反应器在废水处理过程中，其活性污泥经历了由有氧到无氧的变化，污泥内的微生物也随之而发生变化。
近期，Journal of Environmental Sciences刊登了“Revealing the anaerobic acclimation of microbial community in a membrane bioreactor for coking wastewater treatment by Illumina Miseq sequencing”一文，文章对膜生物反应器发酵过程中的微生物动态变化进行了监控。作者收集了5、21、49、95、161及125天的污泥样本，编号为S1、S2、S3、S4、S5，并借助高通量测序（Illumina Miseq）的方法，对样品内的细菌、古菌进行了检测。
结果发现，在污泥的处理过程中，无论是细菌还是古菌多样性都经历了先增加后减少的变化趋势，在处理的过度阶段展现出了最高的多样性。随着处理的进行，细菌Ignavibacteria，逐步从劣势菌（丰度<1%）成长为优势菌(54%)。β变形菌（Betaproteobacteria）的相对丰度在处理过程中保持稳定，进一步发现，在此纲内，一些物种丰度增加，同时伴随着另一些物种的丰度降低，因此变形菌总体丰度变化不大。而在古菌中，嗜盐杆菌（Halobacteria）最初属于古菌的优势种群，然而随着处理，其优势地位逐步被甲烷杆菌（Methanobacteria）取代。
综上所述，在有氧到厌氧的过程中，污泥内的细菌和古菌都存在一个渐变的过程，且某些“外围”物种经发酵处理过程，最终也可变为优势物种。
图1 历经有氧到无氧，细菌、古菌的变化历程
无论是细菌还是古菌均经历了较大变化，其最初优势种被取代。
图2 时间梯度下样品间的变化和距离。
a、b细菌和古菌PCoA，可见不同时期样品有各自特征，由S1到S5群落一直在变化；c、d细菌和古菌Bray–Curtis距离矩阵，由青色到紫色表距离增加，可见有S1到S5样品间距离逐渐增大。
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http://www.sciencedirect.com.sci-hub.cc/science/article/pii/S1001074216316394
7.22
温度介导的本地适应性改变了丛枝菌根的共生功能
微风
丛枝菌根真菌在不同的生物和非生物间相互作用的共生功能已经得到了广泛的证实。然而，在高山生态系统中，当地的温度环境如何影响丛枝菌根真菌的功能分化，目前对此所知甚少。在Environmental microbiology上有一篇题为“Temperature-mediated local adaptation alters the symbiotic function in arbuscular Mycorrhiza”的文章，研究者通过设计交互接种实验，来研究植物、丛枝菌根真菌接种物和温度之间三元相互作用。结果显示只有在低温条件下才能发现植物生长的本地适应性（local adaptation），在丛枝菌根真菌中并未发现一致的本地效应与外来效应。进一步分析发现，高温条件下，真菌的共生功能与真菌多样性呈负相关。这些结果表明，本地适应性是建立植物、接种物和温度的新型组合的有力因素，并且确认了在预测共生体对全球环境变化的响应时考虑生物和非生物相互作用的重要性。
图1 在不同温度体系下，芽和根的干物质重
图2 当植物、接种物和温度条件是分布区重叠或不同组合时，植物对接种AM真菌和相关土壤生物体的反应
图3 在两种温度条件下，丛枝菌根真菌的总根（不同丛枝菌根真菌结构的总和）和土壤（菌丝长度密度）定植水平
表1 对温度条件、植物起源等差异性的统计分析
表2(a) 在两个温度条件下，植物对接种物丛枝菌根指数响应的多元线性回归分析结果
表2(b) 两种温度条件下，植物对接种物和丛枝菌根真菌指数响应的Pearson相关性分析
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http://sci-hub.cc/10.1111/1462-2920.13737
7.23
藻华过程中颗粒附着细菌和浮游细菌不同的网络互作
坚果儿
藻华（Algal blooms）在海洋和淡水中都可能造成严重的生态问题，发生频率高，分布广。发生后可降低水质、增加水处理成本，改变食物网络动态并威胁人类健康。前人研究表明藻华发生过程中水生环境中的颗粒附着细菌（particle-associated bacteria，PAB）和浮游细菌（free-livingbacteria，FLB）具有重要作用，但PAB和FLB群落组分之间的相互作用及其与周围环境特性的关系在很大程度上是未知的。近来，西南大学罗锋研究团队与昆明理工大学的潘学军研究团队在Frontiers in Microbiology 上发表了一篇题为Distinct Network Interactions in Particle-Associated and Free-Living Bacterial Communities during a Microcystis aeruginosa Bloom in a Plateau Lake的文章，通过使用高通量测序和网络分析，比较了铜绿微囊藻爆发期间高原湖泊的PAB和FLB的群落和网络特征。结果表明，PAB和FLB在多样性、群落结构和微生物共存网络上有显著差异。PAB群落的特点是在不同地点具有高度相似的细菌群落结构，网络连接更加紧密，引起藻华的铜绿微囊藻及α-变形菌，特别是潜在的固氮（Plemonorphomonas）和溶藻细菌（短波单胞菌属）具有重要拓扑作用。FLB群落对检测到的环境因素敏感，其特征是细菌多样性显著较高，网络连通性较小，网络规模较大，铜绿微囊藻的边缘作用较大。在两个网络中，细菌类群之间的共变化（covariation）是广泛的（> 88％的正向关系），并且可能参与氮循环（即脱氮，固氮和亚硝酸盐氧化）的细菌占据模块中心，如Meganema，Plemonorphomonas和硝化螺旋菌。这些发现突显了考虑微生物网络相互作用以了解藻华的重要性。
PAB（A）和FLB（B）中OTU的网络相互作用
PAB（A-C）和FLB（D-H）中感兴趣的节点与最近结点间的网络相互作用
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https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC5492469/
7.24
活体营养植物与微生物间的互作（综述）
胖 鱼
生物圈的生物并不是孤立存在的，它们之间存在相互作用。它们的相互作用可能只昙花一现，也可能维持终生；它们可能只是共享空间，也可能参与彼此复杂的行为和发育过程。它们彼此相关，从而获得优势，提高生殖成功率。本文是2017年2月13日Pietro D.Spanu等人发表在Frontiers in Plant Science 的一篇评述文章“Editorial: Biotrophic Plant-Microbe Interactions”。作者从专性活体营养（obligate biotrophs）、半活体营养（hemibiotrophs）、研究活体营养的技术挑战、活体营养和其他微生物的相互影响等几个角度出发，对活体营养植物-微生物互作的研究背景、研究方法和现有进展进行了总结。尽管活体营养微生物和植物之间相互作用已经在各个领域取得了重大进展，它们之间的分析仍然十分具有挑战性。
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https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC5303711/pdf/fpls-08-00192.pdf
7.25
土壤生物炭施用对N2O减排及nosZ基因多样性的影响
李小圆
氧化亚氮（N2O）气体是引起全球气候变化的一种重要的温室气体，它的温室气体效能是CO2的300倍之多，并且对臭氧层具有破坏作用。生物氮转化过程特别是反硝化过程是潜在温室气体N2O的主要产生源。生物炭施用被认为是可以显著减少土壤N2O排放量的一种修复方式。然而生物炭施用后对土壤微生物群落与功能的影响目前研究尚少。德国研究者Johannes等近日在Scientific Reports发表题为"Soil biochar amendment affects the diversity of nosZ transcripts: Implications for N2O formation"的论文，对施用生物炭后土壤中N2O的排放动态变化及RNA水平上反硝化功能基因（nirK, nosZ I及nosZ II）表达量及群落组成变化进行了探究。研究表明，在十天内，生物炭施用可显著增加nirK及nosZ I基因的群落多样性。此外，可直接进行N2O还原的物种转录量也显著提高。此研究表明生物炭的施用与N2O的减排及N2O还原微生物活性增强有一定潜在联系。然而，其真正内在联系需要多更其他类型土壤及生物炭施用实验来共同验证。
非典型nosZ基因系统进化树
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https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC5469825/pdf/41598_2017_Article_3282.pdf
7.26
两株新的海洋奇古菌生理及基因组特征表明其生态位分化
卢瑟菌
氨氧化古菌（AOA）在海洋中广泛分布，但目前关于其在不同海域的生理特征及生态多样性了解有限。维也纳大学的Barbara Bayer等（2016）在The ISME Journal（9.664，TOP）发表了“Physiological and genomic characterization of two novel marine thaumarchaeal strains indicates niche differentiation”的研究论文。作者比较研究了近岸表层海水分离到的两株新Nitrosopumilus属AOA菌株的基因组及生理特征。结果表明：①每株菌表现出不同的代谢和功能特征，可能反映出其生活方式的差异。②菌株NF5包含许多趋化相关的基因并且可表达古菌鞭毛（archaella），表明其可以感知且主动寻找有利的微环境（如富含营养的颗粒物）。③菌株D3C不具运动性且表现出更多的底物利用多样性，除氨以为，可利用尿素作为替代底物。④D3C基因组包含编码氨单加氧酶第二个拷贝 AmoB亚基的基因，暗示其可能有额外的催化功能和代谢多样性。本研究为系统进化关系密切的奇古菌（thaumarchaeal）菌株的代谢和功能多样性提供了证据，指出了海洋AOA为适应环境而进行的浮游（free-living）和颗粒相关（particle-associated）的生活方式以及可能的生态位分化。
图2 菌株NF5（左）和D3C（右）的透射电镜（a, b）及扫描电镜（c, d）照片
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https://core.ac.uk/download/pdf/38677708.pdf
7.27
根异黄酮和毛状根转化影响大豆根际的关键细菌类群
坚果儿
根际沉积物（Rhizodeposits）在根际微生物群落形成中发挥关键作用。在大豆中，异黄酮（isoflavonoids）是一种关键的根际沉积物成分，有助于植物防御，并促进植物与根瘤菌共生。然而，目前尚不确定异黄酮是否以及如何影响根际微生物群落。美国南达科他州立大学的Senthil Subramanian研究团队在Environmental Microbiology上发表一篇文章题为“Root isoflavonoids and hairy root transformation influence key bacterial taxa in the soybean rhizosphere”。研究者通过对大豆毛状根植株中异黄酮合成酶（IFS）的RNA干扰，沉默了异黄酮的生物合成。关注4种土壤样品：大豆农田土，未转化大豆、转化载体对照大豆、IFS-RNAi大豆根际土。连续超声处理分离与根密切相关的根际土，并对根际土DNA的16S rRNA基因V1-V3和V3-V5可变区进行扩增子高通量测序。使用MOTHUR和vegan处理所得数据，以鉴定细菌类群并评估根际细菌群落的变化。结果：（1）大豆根际富含变形菌门和拟杆菌门，与非根际土壤相比，放线杆菌门和酸杆菌门的水平相对较低。（2）异黄酮对细菌群落结构影响较小，特别是对黄单胞菌属和丛毛单胞菌属的丰度。（3）毛状根转化对根际细菌群落的影响与未转化的植物根大致相似，其中大约74％的细菌（科水平）显示出类似的定殖，突显了该技术评估植物根对根际细菌群落的影响的适用性。（4）然而，毛状根转化对Sphingomonads和酸杆菌有显著的影响。
大豆农田土（SFS）样品与未转化（UNR）、载体对照（VC）和IFS-RNAi（IFSi）根际土样品中细菌门水平群落分布
V13和V35表示结果来自16S rRNA基因的V1-V3或V3-V5可变区的序列
转化载体对照（VC）大豆与IFS-RNAi（IFSi）根际土样品中选定细菌家族的相对丰度
（a）V13和（b）V35分别表示16S rRNA基因的V1-V3或V3-V5可变区的结果
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http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/1462-2920.13602/full
7.28
同位素探针和高通量测序揭示厌氧发酵中醋酸和乳酸氧化微生物
参天大葱
厌氧发酵是一个复杂的微生物过程，大量微生物参与其中。醋酸是厌氧发酵产甲烷过程中重要的中间产物，醋酸氧化细菌和古菌的互作在厌氧条件下甲烷的形成过程中起到至关重要的作用。众所周知，高温条件可以增加甲烷的产生，然而，我们对此过程中微生物的作用知之甚少。前段时间MICROBIAL ECOLOGY刊登了“A Combination of Stable Isotope Probing, Illumina Sequencing, and Co-occurrence Network to Investigate Thermophilic Acetateand Lactate-Utilizing Bacteria”一文，文章使用稳定同位素探针（stable isotope probing）和高通量测序的方法对厌氧发酵过程中的醋酸和乳酸氧化细菌进行了研究。
通过添加13C标记的醋酸，研究发现，在Clostridium，Hydrogenophaga，Fervidobacterium，Spirochaeta，Limnohabitans，和Rhodococcus中检测出高丰度的13C的DNA片段，表明这些微生物可能具有醋酸氧化活性。添加13C标记的乳酸后，Anaeromyxobacter，Desulfobulbus，Syntrophus，Cystobacterineae及Azospira中检测出高丰度含13C的DNA片段，表明这些微生物可能具有乳酸氧化活性。对被13C标记的物种进行PICRUSt功能预测，富集出了与硝酸盐、亚硝酸盐还原相关的酶，这可能暗示醋酸和乳酸的氧化与硝酸盐、亚硝酸盐的还原存在耦合关系。通过对所有物种进行共存网络分析，获得了一些在群落中占据核心地位的微生物，然而并不是所有的核心微生物都被13C标记，表明那些不直接参与醋酸、乳酸氧化的微生物也可能在高温厌氧发酵中起到重要作用！
图1 细菌属水平共存网络图
节点代表细菌属，连线代表相关性(Spearman, P<0.05, |r|>0.7被保留)。节点大小由连线数决定，连线越多节点越大，该属在整个网络中越重要。
图2 PICRUSt功能预测结果
不同颜色代表不同的功能分类，大小表示相对丰度的高低。
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http://link.springer.com.ololo.sci-hub.cc/article/10.1007/s00248-017-1017-8
7.29
木材砍伐对森林土壤微生物的生物地理学和有机物去除形态的长期影响
微风
对可再生、碳中和（carbon-neutral）材料和能源的需求的日益增加，导致森林土地利用的加剧。在管理森林过程中，与保持土壤肥力相关的长期生态问题至今并未被完全了解，部分原因来自土壤微生物群落的复杂性和森林土壤的异质性。近日，来自加拿大的Roland C Wilhelm等人对北美18个样地的11-17年的再生针叶林的土壤细菌和真菌群落进行了研究，以探求木材砍伐的长期影响。该研究成果发表在The ISME Journal上，题为Biogeography and organic matter removal shape long-term effects of timber harvesting on forest soil microbial communities。研究者通过16S rRNA和ITS高通量测序以及鸟枪法宏基因组测序，分析显示了①木材砍伐地区（harvested plots）微生物群落的一致性变化，其中包括耐干旱及耐热微生物（desiccation- and heat-tolerant organisms）的扩张以及外生菌根真菌（ectomycorrhizal fungi）多样性的减少；但是，②大多数类群不受砍伐的影响，其中包括最丰富的和分布最广的微生物类群；③对应于温度和土壤干燥度升高的微生物群落变化因有机质滞留而被缓和，这也对真菌分解者的亚种群（sub-populations）进行了选择；④砍伐对分布类群所产生的影响，与生物地理差异和当地土壤和环境状况的差异明显相关。对森林土壤广泛的基于分子生态学的调查促进了我们对森林干扰的理解，为监测木材采伐的长期影响奠定了基础。
图1 六个生态区的采样点概述
图2 （a）通过细菌NMDS分析阐明种群结构的地理差异
（b）通过真菌NMDS分析阐明种群结构的地理差异
（c）北部和南部样点砍伐处理所产生的特定类群丰度差异
图4 细菌和真菌物种分类组成
图7 对木材砍伐活动产生响应的细菌和真菌分类表
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http://www.nature.com.sci-hub.cc/ismej/journal/vaop/ncurrent/full/ismej2017109a.html
7.30
北极冰川表层生境微生物多样性和功能
卢瑟菌
冰冻圈（cryosphere）覆盖了地球表面积的~10%，冰川（glaciers）是地球气候及淡水系统的重要组成部分。前人研究表明，冰川表面不同生境的微生物中冰/雪藻类占据优势，尤其是冰雪融化季节的主要定殖者和初级生产者。Stefanie Lutz等（2017）在Environmental Microbiology（IF：5.395，TOP）发表了题为“Linking microbial diversity and functionality of arctic glacial surface habitats”的文章。作者采集了极地冰川/雪地中七种不同表面生境——clean snow、green snow、red snow、biofilms、clean ice、dirty ice和cryoconite holes的样品，通过SSU rRNA（16S & 18S）基因扩增子高通量测序、特异代谢物测定（脂肪酸和色素）并结合理化参数，首次评估了不同表面生境中藻类及细菌、古菌的群落组成。本研究主要发现为：①单一藻类物种、代谢物及特殊理化参数之间的相关性能被用于解析复杂群落中的混合代谢信号，并可进一步结合单一物种而推断出其潜在功能；②冰/雪藻类代谢物的产生主要受氮驱动，而较少受到磷的限制；这对次生类胡萝卜素的合成特别重要，进而影响冰川表层的反光率，最终影响其融化速率。
图1 采集自北极两不同区域的12个采样点地图
图2 藻类物种与样点PCA分析及不同生境群落结构
图3 细菌与样点PCA分析及不同生境群落结构
图6 营养元素与各种代谢物之间的相关性分析
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http://homepages.see.leeds.ac.uk/~earlgb/Publications/Lutz_et_al-Env%20Microbiol%202017%20Linking%20microbial%20diversity%20and%20functionality%20of%20Arctic%20glacial%20surface%20habitats.pdf