八月每日一文（8.01~8.10）
八月未央
8.10
海底沉积物微生物群落构建及进化
卢瑟菌
海底沉积物中细菌和古菌数量占所有海洋微生物的一半以上。由于海底沉积物有较强的能量限制（energy limitation），致使其中的细菌、古菌生长速率相比实验室培养而言慢几个数量级。目前，对于海底沉积物中微生物如何形成及在能量限制条件下损伤的DNA修复是否会经历适应性进化或积累突变仍不清楚。2017年3月，Piotr Starnawski等在PNAS（9.661，TOP）上发表了题为“Microbial community assembly and evolution in subseafloor sediment”的研究论文。作者采集了五个不同位点的0-7m分层海洋沉积物样品，时间跨度超过5000年，通过16S扩增子高通量测序、宏基因组测序、单细胞测序等技术手段揭示其微生物群落变化。结果发现，①一小部分核心细菌和古菌（主要为非培养）存在于整个沉积物柱中。②这些核心群落在表层沉积物中相对丰度占比较小，但在表层以下沉积物中成为优势类群。③通过分析四个在各层分布的优势核心微生物类群的宏基因及单细胞测序结果，探究基因组多样性与深度的关系，发现其核酸序列多样性均较低且不随沉积物的深度及年份的变化而变化。④同样地，也未检测到突变率（mutation rates）及选择效力（efficacy of selection）随深度的变化。研究结果表明，海洋深层沉积物微生物群落主要是由表层沉积物来源的、能耐受极端能量限制的表层微生物“后代”构成。
图1 随沉积物深度增加地化指标（A）、生物量（B）及代时（C）变化情况
TOP：表层沉积物；SR：上层富含硫酸盐沉积物；SMT：硫酸盐-甲烷过渡层；MG：产甲烷沉积物；Bottom：深层产甲烷沉积物。
图2 各层广泛分布核心OTUs及其群落生长潜力
图3 深层沉积物微生物群落遗传多样性及其进化速率
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http://sci-hub.cc/10.1073/pnas.1614190114
8.9
微生物燃料电池（MFC）中能够实现反硝化型厌氧甲烷氧化（DAMO）细菌与古菌的分离
一粒米
厌氧甲烷氧化（AOM）对全球甲烷沉降有重要作用，但由于在厌氧甲烷氧化过程中厌氧甲烷氧化古菌不能与细菌有效分离，所以对厌氧甲烷氧化古菌的研究很有限。为了解决反硝化型厌氧甲烷氧化（DAMO）细菌与古菌的分离问题，Jing Ding等在Water Research（IF=6.942，TOP）发表了名为Decoupling of DAMO archaea from DAMO bacteria in a methane driven microbial fuel cell的文章。研究者采用了稳定同位素标记、循环伏安法、扫描电镜、荧光原位杂交、高通量测序及qPCR等技术方法进行研究。结果表明：①以甲烷为燃料的DAMO微生物燃料电池（microbial fuel cell，MFC）成功构建，但其产电能力较弱，输出电压仅在25mV左右。②富集45天后，测序结果表明MFC中古菌含量从接种时的26.96%增加至65.77%，荧光原位杂交结果也证实古菌数目大大增加，而细菌的相对丰度则从24.39%降至2.07%，表明MFC中DAMO古菌与DAMO细菌能较好的实现分离。③作者认为原因是DAMO古菌的电子可以向胞外传递而DAMO细菌不能，导致古菌可以利用多种途径氧化甲烷而细菌不能（参考最后一张图）。研究结果表明生物燃料电池（MFC）可能是实现DAMO古菌与细菌分离的一种有效方法。
循环伏安法扫描体系中电势变化
初始接种及电极生物膜形成后主要古菌 (A)及细菌(B)群落组成变化
生物燃料电池中DAMO古菌与DAMO细菌解偶联机制
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http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S004313541630940X
8.8
前体（precursor）与细菌群落结合对不同材料堆肥期间腐殖质形成的影响
小超人
腐殖质（HS）作为堆肥最重要的副产品，是引起堆肥环境效应（environmental effect）的主要原因。在堆肥过程中，发生了一系列连续的生物过程，其中有机物被转变成腐殖质。而前体（precursor）是一种基础的高度可变的组分，在不同材料堆肥期间影响腐殖质的形成。来自东北农业大学的魏自民教授团队通过研究前体与细菌群落结合对不同材料堆肥期间腐殖质形成的影响，在Bioresource Technology（IF=5.651）上发表了题为“Effect of precursors combined with bacteria communities on the formation of humic substances during different materials composting”的文章，作者通过研究腐殖质的形成规律，提出一种提高腐殖质产量的方法。实验采用白菜废弃物（CW），鸡粪（CM），玉米秸秆（CS），花园废弃物（GW）和草坪废弃物（LW）五种不同的前体进行堆肥，结合细菌群落分析腐殖质的形成。结果如下：①堆肥期间，多酚，羧基和氨基酸浓度分别平均下降了75.8％，63.2％和68.3％，而多糖，还原糖和腐殖质浓度平均增加了61.2％，47.1％和37.33％；②前体与腐殖质浓度的关系表明腐殖质形成受到前体种类的显著影响（p<0.05）；③影响腐殖质形成的关键细菌群落和物化参数也通过冗余分析来确定，鉴定出12个关键细菌群落受到物化参数的显著影响（p<0.05）。因此，作者提出了一种基于关键细菌群落、前体以及物理化学参数之间的关系，在堆肥过程中提高腐殖质含量的调整方法。
图2 不同堆肥材料的腐殖化程度
（a：腐殖质浓度; b：腐殖酸浓度; c：富里酸浓度; d：总有机碳; e：腐殖比; f：腐殖化指数 g：聚合度; h：腐殖酸的百分比）
图3 前体与HS，HA，FA和腐殖指数之间的相关性
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http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S096085241631690X
8.7
施肥通过改变土壤pH值来影响细菌群落结构
小丸子
化肥或粪肥的施用可以通过直接提供营养物质或间接改变土壤pH来影响土壤微生物。然而，哪种作用主要影响微生物群落结构仍不确定。近期Frontiers in Microbiology（IF=4.076）刊登了名为Fertilization Shapes Bacterial Community Structureby Alteration of Soil pH的文章，文中对中国西南地区玉米轮作土壤进行了7年的施肥处理，将氮磷钾（NPK）化肥（CF），粪肥（M）或NKP+粪肥（CF+M）施用于酸性（pH 5.8）、近中性（pH 6.8）和碱性（pH 8.4）土壤，利用454焦磷酸测序技术测定了土壤细菌多样性和群落结构。结果显示：在碱性土壤中，尽管施肥土壤中的有效NPK和土壤有机碳比不施肥土壤高，但营养源对细菌OTU丰度或香农多样性指数没有影响。相比之下，经NPK肥处理的酸性和近中性土壤中的细菌OTU丰度和香农多样性指数显著低于M和CF+M处理下的土壤，这正好与土壤pH值的变化相对应。置换多变量方差分析表明，细菌群落结构在这三种土壤中都受到显著影响，但PCoA排序分析表明，与酸性土壤相比，碱性土壤中营养源的影响较小。dbRDA分析表明，在酸性和近中性土壤中pH值对细菌群落结构有显著影响，但在碱性土壤中未检测到任何土壤化学性质显著影响群落结构。与酸性或碱性土壤相比，近中性土壤中大多数细菌门的相对丰度更高。主要优势门是变形菌门（Proteobacteria）24.6％、放线菌门（Actinobacteria）19.7％、绿弯菌门（Chloroflexi）15.3%、酸杆菌门（Acidobacteria）12.6%，中等优势门是拟杆菌门（Bacterioidetes）5.3%、浮霉菌门（Planctomycetes）4.8%、芽单胞菌门（Gemmatimonadetes）4.5%、厚壁菌门（Firmicutes）3.4%、蓝细菌（Cyanobacteria）2.1%、硝化螺旋菌门（Nitrospirae）1.8%、candidate division TM7 1.0%，丰度最小的门是疣微菌门（Verrucomicrobia）0.7%、装甲菌门（Armatimonadetes）0.6%、candidate division WS3 0.4%、纤维杆菌门（Fibrobacteres）0.3%。此外，蓝细菌和candidate division TM7在酸性土壤中更丰富，而芽单胞菌门，硝化螺旋菌门和candidate division WS3在碱性土壤中更丰富。我们得出结论，经过7年的施肥处理，土壤细菌多样性和群落结构受土壤pH变化的影响更大。
图3 土壤pH值与细菌门相对丰度之间的关系
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http://journal.frontiersin.org/article/10.3389/fmicb.2017.01325/full
8.6
在寒冷的气候条件下接种嗜冷-高温复合微生物菌群加速和促进奶牛粪便和水稻秸秆堆肥的发生和成熟
小超人
堆肥是处理牲畜粪便和农作物秸秆的有效方法。然而，天然堆肥需要几个月的时间，最终产品的质量不稳定，用微生物接种堆肥可以缩短堆肥期，提高最终产品的质量。近日，来自吉林农业大学的高云航教授团队在Bioresource Technology（IF=5.651，TOP）上发表了题为“Inoculation with a psychrotrophic-thermophilic complex microbial agent accelerates onset and promotes maturity of dairy manure-rice straw composting under cold climate conditions”的文章。作者通过接种由嗜冷型细菌菌群（PBC）和嗜热纤维素分解真菌菌群（TCFC）组成的嗜冷-嗜热复合微生物菌群（PTCMA），探究PTCMA接种对奶牛粪便和水稻秸秆低温堆肥的影响。实验设置：①PTCMA、②PBC、③TCFC、④无菌水（对照）四个处理，接种到牛粪和稻草混合物后，在-2℃至5℃的初始环境温度下堆肥。结果表明：①用PBC或PTCMA接种的堆肥堆与用TCFC或对照接种的桩相比，温度达到高温期（>55℃）更快（8-11天）；②用TCFC或PTCMA接种的堆肥在总有机碳和碳/氮比例上都有较大的降低，总氮含量显著增加，纤维素和木质素的降解以及萌发指数均高 42 35629 42 15287 0 0 2427 0 0:00:14 0:00:06 0:00:08 2889于PBC接种或对照堆肥。因此，两者（即PTCMA）的接种在寒冷气候条件下加速了堆肥的发生和成熟。
图3 堆肥期间C / N（a）和GI（b）的变化
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http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0960852417310015
8.5
古菌进化树：关于它们多样性、进化和生态学的新观点
微风
古菌在生命之树中占据重要的地位，是微生物多样性重要组成部分。它们广泛分布在土壤、海洋沉积物和水体中，在全球物质循环进程中发挥重要作用。Panagiotis S Adam等（2017）人在The ISME Journal（IF=9.328，TOP）上发表了一篇题为“The growing tree of Archaea: new perspectives on their diversity, evolution and ecology”的综述，作者在综述中对前人关于古菌的研究进行了总结归纳，并提出了一些自己的见解。古菌在介导全球碳循环和营养物质流通中起着关键性作用，此外，它们是人体微生物组的最重要组成部分，但目前对它们在健康或者疾病方面的作用尚不清楚。不依赖于纯培养的测序技术的发展提供了对于基因组数据前所未有的获取量，这些基因组数据来自大量难以靠培养获得的古菌谱系。而这正在彻底改变我们对各种环境中古细菌多样性和代谢潜力的看法，这也是了解其生态作用的重要一步。古菌域这棵大树正在迅速的填充新的分支，为高等级系统学（high-rank systematics）带来了新的挑战，并提供了一些关键信息，这些信息可以用来研究这一领域的起源和当前多样性形成的进化轨迹以及古菌与细菌、真菌的进化关系。文章指出，目前我们关于古菌多样性的描述，只是处于探索阶段。
图1 过去20年里，古菌基因组序列和对古菌物种的有效描述数量。
表1 新命名的古菌谱系与其原始首字母缩略词和相应的词源
图2 古菌的系统发育树
表3 纳米级古细菌谱系的特征
图3 DPANN(Diapherotrites, Parvarchaeota, Aenigmarchaeota, Nanohaloarchaeota, and Nanoarchaeota)的多样性
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http://sci-hub.cc/10.1038/ismej.2017.122
8.4
裸地（arid-land）微生物的存在可以增加地表温度10℃？
参天大葱
地表（表层土壤）温度好比是驱动器，对陆地生物地球化学循环的进程有着重要的影响。表层土壤温度很大程度上取决于地表的光线反射能力，而地表反射能力可受多种因素的影响，如地表植被类型。而在植被稀疏的裸地，地表土壤的生物结构由定植于此的光合微生物构成。
2016年，Nature Communications (IF=12.124) 刊登了一篇文章“Bacteria increase arid-land soil surface temperature through the production of sunscreens”，作者综合物理、生物化学、微生物学的方法对裸地地表土壤微生物与地表温度之间的关系进行了研究。研究发现，成熟的生物地表可以增加地表温度高达10℃，在此起作用的是蓝细菌（Cyanobacteria）产生的大量次生代谢物——伪枝藻素（Scytonemin）。伪枝藻素的积累可以显著降低土壤反光能力。这种小范围的升温可以迅速改变地表土壤的微生物类型，如热敏型的微生物将被耐热型的微生物替代。
本研究证实，除地表植物外，微生物也可成为改变地表反光能力的因素！这也就是说，在过去以及未来，微生物对生物圈平衡都具有潜在的影响。藉此呼吁对地表微生物的作用进行大尺度范围内的评估。
图1 研究材料（成熟梯度）及其所含伪枝藻素和蓝藻等微生物数量。
由M1到M5，蓝藻及伪枝藻素含量逐渐升高，土壤颜色逐渐变暗。
图2 温度梯度下，地表土壤温度与时间、反光能力的关系。
可知温度与反光能力成反比。
图3 成熟梯度下，蓝藻群落组成的改变。
可知Microcoleus vaginatus的优势地位逐渐被Microcoleus steenstrupii取代。
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http://www.nature.com/articles/ncomms10373.pdf
8.3
明确柑橘叶和根相关核心微生物群：
群落结构相关的因素及其对防治黄龙病（Citrus greening）的启示
坚果儿
植物和微生物之间的稳定关联对于促进宿主健康和生产力至关重要。黄龙病（ Huanlongbing or Citrus greening）是由Liberibacter asiaticus，L. americanus和L. africanus引起的破坏性柑橘病。前人克隆文库测序和PhyloChip调查显示，黄龙病症状发展期间柑橘相关的微生物群结构发生重组，并且已经表明本土细菌的群落变化可以影响L. asiaticus的效价。17年6月，美国佛罗里达大学遗传学研究所的Ryan A. Blaustein研究团队在Applied and Environmental Microbiology（IF：3.807，TOP）上发表了一篇文章，题为“Defining theCore Citrus Leaf- and Root-Associated Microbiota: Factors Associated with Community Structure and Implications for Managing Huanglongbing (Citrus Greening) Disease”。这项工作的目的是检验核心微生物群重建可能与黄龙病（HLB）的进展相关的假说。通过对16S rDNA的扩增子高通量测序，表征柑橘树叶（n = 94）和根（n = 79）的微生物群落随着HLB症状严重程度、柑橘品种、位置和季节/时间的变化。结果：（1）分类学上丰富的群落包含优势的核心成员（即至少在95％的叶或根中检测到）、一些位点特异优势类群以及一个多样化的低丰度可变类群。（2）叶、根微生物群的组成及多样性与黄龙病发病程度和位置密切相关，与宿主品种也有关系。（3）叶片微生物群Liberibacter spp.的相对丰度与HLB症状严重程度呈正相关，与α多样性呈负相关，表明随着病症的发展，群落多样性下降。（4）微生物群落时间序列的网络分析表明Liberibacter spp. 和伯克氏菌科、小单孢菌科及黄色单胞菌科为互斥关系。研究结果促进了以下理解：（1）植物微生物组选择涉及多个变量；（2）（核心）群落结构的变化，可能是疾病建立的前提条件和/或与症状进展相关联。
2015年秋季采集的柑橘树相关微生物群落结构NMDS图
A：所有样品；B：仅根样品；C：仅叶样品。封闭和开放符号分别对应于根和叶微生物群。符号对应于树的位置（颜色）和品种（形状），同时指出了HLB症状严重程度（I：无症状； II：症状轻度；III：症状 - 中度；IV：症状严重）。
A：在Gainesville采集的瓦伦西亚柑橘树的叶相关微生物群落中，20个最丰富的科的相对丰度；B：这20个分类群相对丰度的相关网络分析揭示了显著的相互作用。
＃表示分类群是核心微生物群的成员，*表示基于方差分析的不同日期的显著性差异（p<0.05）。虚线表示共存，实线表示互斥（p <0.05）。每个圆的大小对应于平均相对丰度，颜色对应于所代表的细菌类别。
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http://aem.asm.org.sci-hub.cc/content/83/11/e00210-17.short
8.2
长期施用磷矿粉对玉米根际微生物群落的影响
小丸子
施用磷肥是世界农业的常用措施，几种商业产品得到了广泛应用，其中三重过磷酸钙（TSP）是一种优异的可溶性磷（P）来源。然而，其高生产成本使基于磷矿粉（Rock Phosphate，RP）的磷肥料成为在发展中国家更具吸引力的替代品。Ubiana C. Silva等在Front Microbiol上发表了名为Long-Term Rock Phosphate Fertilization Impacts the Microbial Communities of Maize Rhizosphere的文章，通过高通量测序技术比较了施用TSP和磷矿粉（RP）对玉米根际微生物群落结构的长期影响。结果显示：（1）在所有处理中，变形菌门（Proteobacteria）是主要优势菌；（2）在施用RP处理中黄杆菌科（Oxalobacteraceae）较丰富，克雷伯氏菌（Klebsiella）是第二大分类群；（3）与施用TSP相比，施用RP的伯克霍尔德氏菌（Burkholderia sp.）和芽孢杆菌属（Bacillus sp.）更丰富；（4）关于真菌，球囊菌门（Glomeromycota）在施用RP土壤中表现出更高的丰度，主要属为盾巨孢囊霉属（Scutellospora）和丛枝菌属（Racocetra），这些分类群对施用RP土壤中P的溶解和获得有重要的作用；（5）在经TSP和RP处理的土壤上生长的玉米具有相似的生产力，并且检测到的P含量和土壤微生物群落呈正相关。这些结果表现了与磷肥类型相关的微生物群落组成的变化。
图2 （A）细菌门（B）科（C）属、（D）真菌门（E）科（C）属的相对丰度
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https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC5504191/
8.1
鸡粪对土壤中抗生素抗性细菌和白菜内生细菌的影响
小丸子
动物粪肥能够将抗生素抗性从动物肠道转移到土壤环境。目前，施用粪肥对植物组织中抗生素抗性内生细菌（AREB）的数量和群落结构的影响尚不清楚。Qingxiang Yang等在International Journal of Environmental Research and Public Health上发表了名为“Influence of Chicken Manure Fertilization on Antibiotic-Resistant Bacteria in Soil and the Endophytic Bacteria of Pakchoi”的文章。为了研究粪肥和有机肥对内生细菌群落的影响，用白菜进行盆栽实验，共有以下处理：（1）不施肥；（2）施鸡粪；（3）施有机肥。结果表明：①鸡粪或有机肥显著增加了白菜中总可培养内生细菌（TCEB）和AREB的丰度，并且鸡粪的影响比有机肥更显著。此外，②16S rDNA测序和系统发育分析表明，鸡粪或有机肥施用量增加了土壤中多种抗生素抗性细菌（MARB）和白菜中多种抗生素抗性内生细菌（MAREB）的数量。③在施用鸡粪或有机肥的土壤和植物内生系统中共有的抗生素抗性细菌类群是缺陷短波单胞菌（Brevundimonas diminuta）、短杆菌属（Brachybacterium）和博代氏杆菌属（Bordetella），这表明粪便中的MARB可以通过施肥措施进入到植物组织。
表1 白菜生长前后不同施肥处理土壤中ARB和MARB的浓度和比例
表2 盆栽白菜中AREB和MAREB的浓度和比例
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http://www.mdpi.com/1660-4601/13/7/662/htm
审阅校稿：卢瑟菌