科研思路｜FM：宏基因组揭示海洋微生物地球化学循环规律
论文信息
论文题目：Metagenomic Insights Into the Microbial Community and Nutrient Cycling in the Western Subarctic Pacific Ocean
期刊：Frontiers in Microbiology
IF：4.259
发表时间：2018
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研究背景
海洋生态系统中的微生物负责海洋中有机物的矿化和再利用，同时其驱动营养物质和能量的转移，在不同的海洋环境中，不同的微生物个体可能会由于进化而导致彼此之间的相异性，但是负责其核心代谢功能的必要基因依然会保持相对稳定。因此，为了更好的理解微生物代谢过程并在原位实现对微生物代谢的控制，现代微生物生态学中的一个主要目的是鉴定调控生态过程的特定微生物群落。
西亚北极太平洋 (Western Subarctic Pacific Ocean, WSP) 受到Okhotsk Sea、Ease Kamchatka洋流和Oyashio洋流的影响，使其具有极高的Fe离子浓度并且富集大量的营养物质，加之其亚北极的地理位置所导致的接近冰点的低水温，使该区域称为研究海洋特定功能微生物群落的适合区域。
本文的研究目的：
是否WSP的冷水环境具有与其它海洋区域不同的微生物群落和代谢功能；
在WSP海域，表层和深层微生物群落的代谢功能是否具有差异；
在洋流汇集的高Fe离子浓度和营养物质富集区域，是否会形成具有特定代谢功能的微生物群落。
实验设计
研究结论
1、基于Bray-Curtis距离的UPGMA表明，WSP表层和深层海水微生物群落组成分别聚类，不同深度的海水微生物群落组成具有明显的差别。
2、深层海水中的微生物多样性要明显高于表层海水，Proteobacteria、Verrucomicrobia和Bacteroidetes是WSP的主要微生物，Cyanobacteria在表层海水中丰度较高，而Thaumarchaeota和Euryarchaeota主要存在于深层海水。
3、对不同系统发育水平的微生物丰度进行LEfSe分析，结果显示Desulfobacterales、SAR324 clade marine group B、Bdellovibrionales、E01 9C 26 Marine group、Pseudomonadales、Salinisphaerales、Thermoplasmatales和Nitrosopumilales在WSP深层海水中富集，而Synechococcaceae和Flavobacteriales在WSP表层海水中丰度更高。
4、在WSP海水微生物群落中，氨基酸代谢是其最主要的功能，其次为碳水化合物代谢以及辅助因子和微生物代谢。SIMPER分析比较不同地理位置表层海水以及不同深度海水中主要的差异微生物功能，结果发现，3种营养物质循环 (氮代谢、碳水化合物代谢和硫代谢) 和氨基酸代谢是不同WSP海水微生物群落中差异最显著的功能分类。
5、N代谢的相关基因主要存在于深海中，Thaumarchaeaota、Sphingomonadales和Pseudomonadales分别负责氨氧化、同化硝酸盐还原和异化硝酸盐还原。
6、硫氧化基因主要在WSP表面海水样品中检出，而硫还原基因则广泛分布于出了WSP1以外的样品中，Alphaproteobacteria和Gammaproteobacteria是硫氧化基因的主要宿主为生物。
7、在WSP的表层海水微生物群落中，WSP1具有相对较低的碳水化合物代谢基因，但其含有高丰度的铁载体合成和铁离子转运基因。
8、Acidimicrobiales、Nitrosopumilales、Thermoplasmatales和Desulfuraomonadales之间具有显著相关性，这4种微生物之前就被认为参与C、N、S的代谢。
研究特色
本文基于对宏基因组数据的KEGG数据库注释结果，从中挑选出与氮代谢和硫代谢相关联的基因丰度结果，绘制了WSP海水微生物群落的氮循环和硫循环基因丰度比较图，同时获得了参与不同氮和硫代谢过程的主要宿主微生物的组成和丰度，根据其结果能够更好的理解环境中微生物介导的营养物质循环，同时为原位控制微生物的功能提供理论指导。
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