《Nature Microbiology》：Multi-omics reveals nitrogen dynamics associated with soil microbial blooms during snowmelt
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本研究针对季节性积雪生态系统中土壤微生物在融雪期暴发与消亡影响氮输出的难题，通过整合基因组解析宏基因组学、宏转录组学和代谢组学，揭示了高山流域融雪过程中不同微生物类群利用各异氮源生长的机制及其对融雪后氮去向的调控，为预测全球变化下积雪减少对流域氮循环的影响提供了关键见解。
在全球高山地区，季节性积雪覆盖是生态系统氮循环的关键驱动因素。雪盖的消融不仅标志着冬春季节的转换，更引发了土壤微生物群落的剧烈动态变化——一场短暂的微生物“暴发”与随后的“崩溃”。这一现象直接关系到流域氮素的输出通量，尤其在以美国科罗拉多州东河流域为代表的高海拔流域中，融雪期贡献了全年最大的河流氮输出。然而，驱动此类微生物动态变化的内在机制至今未明，导致在全球积雪持续减少的背景下，准确预测土壤氮过程变得愈发困难。
为揭开这一谜题，研究人员在海拔2750至4000米的东河流域展开了一项综合性研究。他们假设，占据不同土壤生态位的微生物类群在融雪期间具有不同的氮降解、同化和利用能力，从而共同调控着氮素的命运。通过对融雪关键时期土壤的多组学分析，研究团队成功将具有不同氮循环功能的微生物类群在时间尺度上联系起来，深化了对高山流域氮循环的理解，并对预测生态系统如何响应积雪减少具有广泛意义。
本研究主要运用了以下关键技术方法：在东河流域季节性积雪覆盖的山坡进行土壤采样，覆盖融雪前（3月）、融雪期（5月）、融雪后（6月）和植物枯萎后（9月）等关键时间点；利用基因组解析宏基因组学从土壤样本中重建了496个宏基因组组装基因组，并筛选出167个高质量MAGs用于后续分析；通过宏转录组学定量分析微生物群落基因表达活性；采用傅里叶变换离子回旋共振质谱和核磁共振技术表征溶解性有机氮的分子组成与转化；并通过化学分析方法测定土壤各氮库（微生物生物量氮、溶解性有机氮、铵态氮、硝态氮）的动态变化。
微生物生物量是融雪前后氮的控制点
研究发现，微生物生物量氮是所有采样日期中最大的可提取氮库，占土壤总可提取氮的66%至77%。融雪显著影响了各土壤氮库的储量。例如，与3月深冬积雪下相比，5月融雪期间的微生物生物量氮和溶解性有机氮分别增加了2.5倍和2倍。然而，6月土壤无雪覆盖后，微生物生物量减少了70%，溶解性有机氮也呈现类似下降趋势。微生物生物量崩溃后，铵态氮和硝态氮分别增加了2倍和3倍。土壤深度对氮库响应融雪的影响不显著。这表明融雪后土壤氮的激增源于微生物生物量崩溃后释放的固定态氮。
积雪积累与消融控制四个微生物响应群体的活性
根据MAGs的总基因表达量，通过层次聚类将微生物划分为冬季适应型、融雪专性型、春季适应型和秋季适应型四个响应类群。大多数MAGs（139个）的基因表达对融雪有响应。冬季适应型MAGs（如 Bradyrhizobium spp. 和 Solirubrobacterales）在3月积雪最深时基因表达最活跃，其基因组GC含量最高，预测的最适生长温度最低，暗示了在雪下最冷时期生长的适应性选择。融雪专性型MAGs在融雪期活性最高，其活性远高于其丰度。春季适应型类群则以9个古菌MAGs（均属Nitrososphaerales目）为主，它们在6月群落基因表达中占比最高，具有最低的GC含量、最长的预测世代时间和最低的预测最适生长温度。
溶解性有机氮在融雪期间及之后芳香性增加
溶解性有机氮的碳氮比和碳的名义氧化态在9月植物枯萎后或3月雪下最高，但在5月融雪期间下降。溶解性有机氮的芳香性指数在融雪期间及之后显著增加，表明溶解性有机氮库在融雪过程中变得更加还原、芳香化且富氮。检测到的103种不同的氮转化（涉及含氮单体的丢失或添加）频率在微生物固氮作用最强的融雪期下降。同时，与内肽酶、酰胺水解酶和核酸酶活性相关的基因表达在融雪期增加，这些酶活性可能驱动了“O/H”型转化，并与肽类和芳香类溶解性有机氮比例增加同时发生。
氨同化作用与生物量暴发不同步
负责通过谷氨酰胺合成酶–谷氨酸合酶途径同化氨的基因表达在融雪前（3月）高于融雪期（5月），表明氨同化与生物量暴发在时间上不同步。相反，NRII–NRI双组分调控系统（ntrC/B）和氮同化控制转录因子（nac）的基因在5月融雪期表达最高，这些系统在氮限制生长条件下被激活，表明融雪期微生物大量摄取和降解有机氮以支持生长。6月融雪后，土壤微生物群落整体可能从氮限制转向碳限制，此时谷氨酸脱氢酶（gdhA）基因表达增加，同时RNA聚合酶σ因子（rpoN）、氮调控PII蛋白（GlnB, GlnK）和cAMP受体蛋白（crp）的表达也显著上调，预示着碳分解代谢物抑制激活和芳香族底物降解增强。
氨基酸和硝酸盐呼吸为融雪期微生物暴发提供能量
融雪期观察到高浓度的支链氨基酸（如丙氨酸、亮氨酸、异亮氨酸、缬氨酸）以及比它们少一个碳原子的α-酮酸（如丙酮酸、2-氧代异己酸、异戊酸），表明厌氧氨基酸降解（类似Stickland氧化反应）是融雪期重要的代谢过程。冬季适应型 Bradyrhizobium MAGs在融雪期具有高的氨基酸转氨酶、丙酮酸-铁氧还蛋白氧化还原酶、磷酸转乙酰酶和乙酸激酶基因表达，说明氨基酸厌氧降解为生物合成提供了氮源并产生有机酸。此外，冬季适应型 Bradyrhizobium spp. 在5月微生物暴发期具有高的硝酸盐还原（napAB）、一氧化氮还原（nirK）和一氧化二氮还原（nosZ）基因表达，表明它们通过反硝化作用在融雪期产生能量。
生物量释放的相容性溶质是融雪后氨的来源
甜菜碱和其他甲基化胺在生物量崩溃前后（6月）浓度很高。与甜菜碱氧化降解途径（如甜菜碱-高半胱氨酸甲基转移酶bhmt、肌氨酸氧化酶soxGBA）相关的基因在融雪前（3月）表达更活跃，而与还原降解途径（如三甲胺氧化酶tmd-dmd、甲胺氧化酶mao-aofH）相关的基因在融雪后（6月）表达更活跃。一个冬季适应型的Solirubrobacteraceae MAG在甜菜碱降解方面基因表达最高，其在3月氧化降解途径表达最高，6月还原降解途径表达最高，表明它可能利用甜菜碱降解产生的氨作为氮源。
融雪后（6月）观察到的硝酸盐脉冲与氨氧化和亚硝酸盐氧化相关基因的高表达同步。例如，与5月相比，6月与氨氧化（amoCAB）或亚硝酸盐氧化（nxrA, narGH）相关的基因表达高出33%-58%。同时，含有铜的一氧化氮还原酶（nirK）和细胞质亚硝酸还原酶（nirBD）的基因表达在6月也有所增加，表明通过发酵性硝酸盐异化还原为铵途径保留土壤硝酸盐的潜力。这些基因表达模式与春季适应型Nitrososphaerales古菌的基因表达量增加两倍相吻合。
研究结论强调，需要重新审视季节性积雪生态系统中冬季“缓慢”与夏季“快速”土壤氮循环的划分。雪下微生物具有较快的预测生长速率，融雪期细胞分裂、生物量周转和芳香性溶解性有机氮降解相关的基因高表达，表明冬季土壤氮循环的强度和速率与融雪相关微生物暴发的规模成正比。气候变暖导致的积雪减少将通过改变土壤冻结状况和融雪水入渗，影响冬季适应型微生物的活性，进而可能削弱融雪期微生物对氮的固持能力，并导致土壤氮动员与植物氮需求在春季出现时间上的不同步性。本研究通过多组学整合分析，揭示了融雪期土壤微生物暴发驱动的氮动态细节，为预测全球变化下高山流域氮循环的响应提供了重要的机制性见解。
