《Advanced Science》：Divergent Responses of Bacterial Communities to Permafrost Degradation and Their Associations With Carbon Across Vertical Profiles
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本文通过宏基因组测序，研究了青藏高原不同退化梯度下五个15米深永久冻土岩心中（125个样本）细菌群落的垂直分布特征。研究发现，从活动层到永久冻土层，细菌α多样性降低而随机性过程和群落稳定性增加；在退化梯度上，这些群落属性仅在活动层内呈现类似变化，而在永久冻土层内保持稳定。核心类群的相对丰度（活动层）及其相互作用（永久冻土层）对维持群落稳定性起关键作用。随着永久冻土退化，群落稳定性与碳储存之间的负相关关系增强，尤其在活动层。研究揭示了退化引发的微生物响应可能放大碳释放，为理解永久冻土碳动态的垂直异质性提供了新见解。
引言
微生物群落在驱动陆地生态系统关键的生态过程和功能（如有机碳周转）中起着至关重要的作用。群落稳定性代表这些群落内部的变化程度或更替率，主要归因于物种多样性、网络特性和聚集过程。然而，关于这些属性如何影响永久冻土等脆弱环境中的微生物动态，尤其是在不同的垂直剖面和退化梯度上，仍然存在知识缺口。永久冻土是地球陆地冰冻圈的主要组成部分，为微生物提供了独特的栖息地。与高纬度地区相比，青藏高原拥有世界最大的中低纬度高海拔山地（高山）永久冻土区，具有更厚的活动层和更高的年平均地温，这些独特条件很可能产生不同的微生物模式。目前对青藏高原微生物群落属性的理解仍集中在活动层，对永久冻土层特别是更深层的认识存在显著差距。永久冻土退化正在青藏高原日益普遍，严重威胁着其巨大的碳库。先前研究表明，永久冻土退化显著降低了活动层表层的微生物多样性和稳定性，并与碳损失显著相关。然而，这些在活动层观察到的模式是否适用于永久冻土层仍存在很大的不确定性。
结果
永久冻土性质
永久冻土性质在深达15米的垂直剖面上表现出显著变化。活动层的永久冻土温度、含水量、有机质和总氮显著高于永久冻土层，而pH值则显著低于永久冻土层。氧化还原电位在两层之间无显著差异。从表层活动层到底层活动层，含水量、有机质和总氮呈现剧烈变化，而从冻结缘层到底层永久冻土层变化较小。沿着从S1到S5的退化梯度（基于永久冻土退化指数PDI排序），活动层内的温度显著升高，而含水量、有机质和总氮显著降低；在永久冻土层内，温度和含水量则随着退化显著增加。
细菌群落结构与聚集过程
五大类主要细菌门在五个岩心中保持一致，但其相对丰度在主要层位（活动层与永久冻土层）和子层位（从表层活动层到底层永久冻土层）间存在显著变化。例如，从表层活动层到底层永久冻土层，变形菌门的相对丰度大幅增加，而放线菌门的相对丰度则下降。在物种水平上，一些物种的相对丰度沿垂直剖面或退化梯度呈现显著的线性变化趋势。
细菌α多样性（丰富度和香农指数）在活动层显著高于永久冻土层，并从表层活动层到次活动层显著降低，但从冻结缘层到底层永久冻土层则无明显变化。随着永久冻土退化，活动层内的α多样性下降，而永久冻土层内无显著变化。基于Bray-Curtis距离的主坐标分析和置换多元方差分析表明，群落组成在主要层和子层之间，以及在活动层和永久冻土层内的退化梯度上均发生了显著变化。细菌群落离散度和β多样性在主要层和子层间显著增加，并且在活动层内随着退化显著增加。
核心细菌类群（基于出现频率和相对丰度定义）以变形菌门、拟杆菌门和厚壁菌门为主。在属水平上，Ralstonia和Pseudomonas是主要成分。核心类群的相对丰度从主要层、子层到退化梯度上均显著增加。
细菌群落聚集主要由随机过程主导，且在永久冻土层的随机性比率显著高于活动层。具体而言，随机性比率从表层活动层到冻结缘层显著增加，之后到次永久冻土层无显著变化。沿着退化梯度，随机性比率在活动层内显著增加，但在永久冻土层内没有变化。此外，迁移率和生态位重叠在垂直剖面和退化梯度上均显著下降。修改后的Mantel检验显示，在活动层，细菌群落组成和随机性比率与除氧化还原电位外的所有变量均存在显著相关性，其中深度表现出最强的相关性；而在永久冻土层，两者均与氧化还原电位显著相关，且与温度的相关性最强。细菌丰富度与深度呈最密切的负相关，核心类群的相对丰度则对活动层和永久冻土层的随机性比率有显著影响。
细菌群落的共现网络与稳定性
基于SparCC算法构建的细菌共现网络分析显示，从表层活动层到底层永久冻土层，网络边数、密度、传递性、度、中心性和复杂性显著降低，而模块性和正相关边的比例增加，表明网络结构向更稳定方向转变。网络鲁棒性分析（通过移除边后自然连通性的下降程度来评估）也证实了这一点，表明细菌群落的稳定性增加。通过平均变异度方法计算得到的群落稳定性（1 - 标准化平均变异度）在主要层和子层间也显著增加。
类似地，沿着退化梯度，细菌群落稳定性在活动层内显著增加，而在永久冻土层内则没有显著变化。研究发现，细菌丰富度与活动层和永久冻土层的群落稳定性均呈强负相关，而随机性比率仅与活动层的稳定性呈正相关。核心类群的相对丰度与活动层和永久冻土层的群落稳定性均呈显著正相关。尽管核心类群之间的相互作用在垂直剖面上没有显著变化，但在活动层内随着退化显著增强。有趣的是，核心类群的相互作用与活动层的群落稳定性呈强正相关，但与永久冻土层呈负相关。随机森林模型显示，在活动层，核心类群是群落稳定性的主要贡献者；而在永久冻土层，核心类群的相互作用成为关键决定因素。这可能是由于永久冻土层中核心类群之间的边具有更短的路径长度和更强的中介中心性，使得扰动信号传播更快、更广，从而导致网络更快、更广泛地崩溃，最终失去稳定性。
环境变量、细菌群落属性与永久冻土碳储存的联系
永久冻土碳储存（以有机碳密度POCD表示）在活动层显著高于永久冻土层，并从表层活动层到底层活动层显著降低，但从次活动层到底层永久冻土层无明显变化。随着退化，活动层内的碳储存显著下降，损失程度高达70.2%，且高于永久冻土层。
值得注意的是，细菌群落稳定性是影响活动层和永久冻土层碳储存的最重要因素。群落稳定性与POCD在整个垂直剖面上呈显著负相关，且在活动层效应最强。随着永久冻土退化，这种负相关变得更加显著和强烈。对碳水化合物活性酶（CAZymes）基因谱的分析发现，编码碳降解酶的基因丰度与活动层和永久冻土层的群落稳定性呈强负相关。这种功能丧失涉及针对不稳定碳（如淀粉）和顽固碳（如木质素和几丁质）的酶，表明由永久冻土退化诱导的高度稳定群落可能失去了将有机质转化为土壤碳的酶促能力。
结构方程模型进一步揭示了环境变量和群落属性对碳储存的影响。在活动层，POCD变异的74.5%得到解释，其中含水量具有最显著的正向效应；在永久冻土层，POCD变异的26.1%得到解释，其中群落稳定性起主导作用。PDI对活动层的POCD有强烈负效应，对永久冻土层的POCD有微弱但仍为负面的影响，表明永久冻土退化无疑导致了碳损失。
采用袋装回归树和随机森林等机器学习方法验证了细菌群落对永久冻土碳储存的预测能力。模型解释了碳储存的高方差，并显示出较低的均方误差。对碳储存最重要的前20个分类群包括甲烷循环类群（如Methylomonas methanica）和固氮细菌（如Mesorhizobium ciceri），表明永久冻土的碳动态与碳氮耦合机制紧密相关。
讨论
研究发现，从活动层到永久冻土层，细菌群落稳定性增加，这与减弱的环
境敏感性、提升的网络稳定特性、增强的鲁棒性以及降低的平均变异度相符。活动层频繁的冻融循环引入了环境波动，削弱了扩散限制，并作为过滤压力刺激了微生物群落的物种更替，从而导致相对较高的确定性过程。相比之下，永久冻土层主要充当长期冷库，微生物群落在此表现出对零下、寡营养和高盐条件的适应策略以维持高稳定性。低代谢活性和高休眠率，加上冻结状态下水分运动的受阻，加剧了扩散限制。尽管耐压物种在永久冻土层积累，但它们与养分和永久冻土性质关联较弱，表明群落组成并非由近期生态位选择驱动，而是反映了地质尺度环境过滤塑造的遗留效应。
值得注意的是，之前的研究表明永久冻土退化降低了活动层表层的微生物群落稳定性，但本研究发现随着退化加剧，活动层的细菌群落稳定性反而增强。这可能与微生物群落对环境压力产生适应性和恢复力有关。此外，这种差异也可能归因于季节动态。之前的研究主要关注夏季样本，而本研究在秋季采样，可能捕捉到群落向休眠和冷适应过渡的状态，这促进了耐压共现模式的形成，从而表现出更高的稳定性。然而，这些微生物变化并未发生在永久冻土层，表明在秋季，高山永久冻土中永久冻土层的微生物群落对退化的敏感性低于活动层。
研究发现，细菌群落稳定性与永久冻土碳储存呈负相关。虽然稳定的群落通常有利于碳固存，但本研究结果与之前的研究一致，表明稳定的群落结构可能有助于碳分解。这种高度稳定的群落可能保留了原始“功能最优”的群落结构，从而能够充分利用可用资源。同时，微生物群落对增温适应性的增加（即稳定性增强）会加剧碳损失，本研究表明如果群落适应了永久冻土退化，也会发生同样的情况。与碳降解酶基因的代谢潜力丧失相关，表明碳损失与微生物同化和转化有机质的能力受损有关，从而限制了土壤碳库的补充。
结论
本研究通过分析五个15米深永久冻土岩心中细菌群落属性的变化，提供了明确证据：活动层拥有更高的细菌α多样性，而永久冻土层的群落表现出更高的随机性过程和稳定性。这些群落属性从表层活动层到次活动层变化显著，但从冻结缘层到底层永久冻土层变化不显著。随着永久冻土退化，活动层内的细菌α多样性降低，但随机性过程和群落稳定性增加，表现为从厌氧类群（如Geobacter）向耐旱类群（如Rubrobacter）的显著演替；而这些属性在永久冻土层内不受退化影响。核心类群在维持群落稳定性中发挥重要作用，其相对丰度在活动层贡献大，而其相互作用主要驱动永久冻土层的群落稳定性。重要的是，在永久冻土退化背景下，观察到细菌群落稳定性与碳储存呈负相关，且这种关系在活动层比在永久冻土层更强。结合观察到的碳降解基因功能耗竭，这些结果表明永久冻土退化可能导致微生物介导的碳损失增加，在未来变暖情况下可能引发积极的气候反馈。
实验部分
研究地点位于青藏高原东北缘祁连山西段的疏勒河源区。2020年10月初，通过钻探在五个不同地点采集了15米深的永久冻土岩心样本。基于温度监测数据计算的活动层厚度，将五个采样点的永久冻土垂直剖面一致地划分为两个主要层和五个子层。对125个样本进行了宏基因组测序和理化性质分析。使用Kraken2进行物种分类，并采用多种统计方法分析细菌多样性、群落聚集过程、共现网络、稳定性及其与环境变量和碳储存的关系。核心类群被定义为在所有样本中出现频率超过70%且平均相对丰度最高的前5%的物种级分类群。使用结构方程模型探究环境变量、核心类群、随机性比率和群落稳定性对有机碳密度的影响，并采用机器学习方法验证细菌群落对碳储存的预测能力。
