气候变暖驱动高寒湖滨湿地固碳微生物群落重组，但核心代谢功能冗余性保持稳定

《Biology》：Warming Drives the Reassembly of Carbon-Sequestering Microbial Communities in Alpine Lakeshore Wetland Without Altering Their Core Metabolic Functional Redundancy Zhiyun Zhou, Ni Zhang, Wei Ji, Shijia Zhou and Kelong Chen

本文推荐一篇关于高寒湿地固碳微生物如何响应气候变暖的创新性研究。研究者通过野外增温实验结合分子生态学技术，揭示了变暖显著改变了携带cbbM基因的固碳微生物群落结构，但以硫氧化和光养为主的核心功能谱保持稳定，这归因于群落内强大的功能冗余。该研究强调了功能冗余是维持生态系统固碳功能短期稳定性的关键机制，为评估未来气候变化下湿地碳循环的响应提供了新视角。

　　

1. 引言

湿地在全球陆地面积中仅占4-6%，却储存了陆地生态系统约12-24%的有机碳，构成了至关重要的碳库。作为青藏高原重要的碳汇，高寒湿地生态系统对气候波动表现出极为敏感的特性。随着全球气候变暖加剧，温度升高正在深刻影响着土壤微生物群落的组建及其生态功能。与更具韧性的生态系统相比，湿地生态系统中的土壤微生物对温度升高表现出更高的敏感性，在调节碳循环中扮演着核心角色。其中，携带cbbM基因的固碳微生物通过光能自养和化能自养途径直接参与二氧化碳（CO₂）固定，是维持湿地碳平衡的关键。然而，关于变暖如何影响这些cbbM固碳微生物群落的组装机制及其功能稳定性，目前仍缺乏充足数据。本研究以青海湖湖滨湿地为模型系统，通过开放顶箱（OTCs）模拟增温，结合cbbM基因高通量测序，旨在探究以下科学问题：变暖是否显著重组了cbbM固碳微生物的群落结构及其组装过程？变暖是否改变了它们的核心代谢功能？群落结构与功能响应之间是否存在解耦现象，维持这种模式的潜在机制是什么？

2. 材料与方法

野外实验在青海湖湿地生态系统国家定位观测研究站的鸟岛站进行。该站点位于布哈河三角洲顶部，海拔3194-3226米，为半干旱高寒高原气候，年均气温-0.7 °C，年均降水量322.7毫米。研究区域地势平坦，易受湖水淹没，植被以赖草、早熟禾和青甘韭为主。增温模拟平台于2018年建立，在一个50米×50米的区域内设置了10个小区，通过开放顶箱诱导增温。经过三年的连续增温，于2020年6月中旬进行土壤采样，比较了增温处理组（NW）和自然对照组（Nck）。土壤理化性质，包括水分、温度、pH、总碳（TC）和总氮（TN）等均进行了测定。通过提取土壤DNA，并使用特异性引物对cbbM基因片段进行扩增和Illumina MiSeq测序，来解析微生物群落。数据分析包括α多样性、主成分分析（PCA）、功能预测（FAPROTAX）、冗余分析（RDA）以及基于βNTI和RC_bray指标的群落组装过程推断。

3. 结果

3.1. 增温对湖滨湿地土壤环境因子的影响

实验性增温显著改变了土壤物理条件。具体而言，NW处理将平均土壤温度提高至16.4 °C（对照组为15.5 °C），同时将土壤含水量从61.9%降低至55.0%。相比之下，土壤pH、总碳和总氮等化学性质在组间无统计学差异。

3.2. 增温对cbbM固碳微生物群落多样性及序列聚类的影响

增温并未显著重构cbbM群落的α多样性。尽管丰富度指数呈上升趋势，而多样性指数呈下降趋势，但这些变化均不显著。然而，主成分分析显示，增温处理显著改变了固碳微生物的群落结构，使其偏离自然状态。OTU分布分析表明，增温组和对照组共享8568个OTU，而Nck和NW分别拥有1179和1217个独特OTU，说明增温诱导了部分类群的更替和重组。

3.3. 增温对cbbM固碳微生物群落结构的影响

变形菌门是cbbM固碳微生物群落中占绝对优势的门，在所有处理中序列相对丰度超过99.9%。在属水平上，Acidithiobacillus的相对丰度最高，其次是Thiothrix、Thiodictyon和Polaromonas。差异判别分析显示，增温处理下，Ensifer和Hydrogenovibrio两个类群被显著富集，它们成为区分处理组的关键指示物种。

3.4. cbbM固碳微生物的主要功能类群及其对增温的响应

基于FAPROTAX的功能预测分析表明，该群落的潜在功能涉及44个功能组。其中，丰度前十的核心功能组包括：硫化合物暗氧化、暗硫氧化、光养、暗铁氧化、暗硫化物氧化、厌氧光能自养S氧化、厌氧光能自养、光能自养、化能异养和好氧化能异养，共同贡献了群落总功能潜力的71.24%，构成了一个以硫氧化和光养为主导的代谢功能谱。然而，统计分析表明，这些核心功能组的组成在处理组间（增温 vs. 对照）并无显著差异。功能-宿主追踪结果显示，上述44个功能组的微生物载体分布于39个微生物属，分属于4个不同的门，其中变形菌门在功能承载上占据主导地位。

3.5. cbbM固碳微生物群落与环境因子的关系

虽然增温处理改变了土壤水分和温度，但冗余分析鉴定出总氮是属水平群落变异的主要驱动因子，pH是次要因子。具体而言，在属水平，Thiothrix和Thiodictyon与pH呈显著负相关；Polaromonas与总碳呈强负相关；Thiodictyon和Thiothrix分别与总氮和温度呈负相关。

3.6. 不同增温处理对固碳微生物群落组装的影响

cbbM群落的组装由确定性和随机性过程共同控制，但在区域尺度上确定性因素占主导。增温显著增强了这些确定性组装过程。进一步基于Bray-Curtis距离的生态过程划分表明，异质选择是塑造不同处理下群落动态的主导力量，而生态漂变的作用微乎其微。这些确定性和随机性组分的相对重要性在不同增温情景下基本保持一致。

4. 讨论

4.1. 增温驱动湖滨湿地cbbM固碳微生物序列聚类和群落结构的显著变化

本研究表明，温度升高是重塑群落结构的有力因素。尽管群落整体结构发生了转变，但门水平的分类学层次结构保持稳健，变形菌门维持了绝对优势。出乎意料的是，增温对cbbM类群的α多样性未产生统计学上的显著影响，这可能与实验时间相对较短（3年<5年）有关。然而，增温在一定程度上增加了群落丰富度指数，同时降低了均匀度指数，表明增温可能促进了某些特定类群的优先生长，形成了“优势种主导”的群落格局。LEfSe分析进一步证实，Ensifer和Hydrogenovibrio在增温条件下被显著富集。总之，短期增温虽未显著改变高寒湿地固碳微生物群落的整体多样性，但通过强化特定类群的竞争优势驱动了群落结构重组。

4.2. 增温未影响土壤微生物的主要功能类群和核心功能

尽管增温导致了微生物群落结构的显著重组，但核心代谢功能谱在处理组和对照组之间没有统计学上的显著差异。具体来说，与硫氧化和光养过程相关的代谢过程主导了功能组成，且它们在增温条件下未发生显著波动。这表明，尽管群落结构对增温敏感，但核心代谢功能并未发生同步变化，表现出明显的“结构-功能解耦”现象。这种解耦现象很可能源于高寒湖滨湿地cbbM固碳微生物群落内部的高度功能冗余。在本研究中，虽然增温导致了一些类群的显著富集并在OTU水平上引起了群落更替，但执行核心代谢功能的微生物载体分布广泛。关键功能如硫氧化和光养由包括Thiothrix、Thiodictyon和Rhodospirillum在内的多个属共同承担。因此，即使增温引起某些类群丰度的变化，其他拥有相似代谢潜力的类群仍可维持原有的功能通量，从而缓冲了环境扰动对整体生态系统功能的影响。此外，本研究还发现群落组装过程以确定性过程为主导，且增温并未显著改变组装机制。在此背景下，功能冗余可能有助于在确定性过滤压力下维持核心功能的稳定性。

4.3. 湖滨湿地cbbM固碳微生物群落的影响因素与相互关系

土壤温度、水分和pH被认为是关键的驱动因子，其中pH被广泛认为是塑造微生物群落组成的首要因素。本研究证实，在门水平，cbbM固碳微生物的群落结构受到土壤pH的显著调控。一个关键发现是，pH与两个关键的固碳功能属——Thiothrix和Thiodictyon——呈显著负相关。在pH较高的条件下，两者的相对丰度显著降低。从生态生理学角度解释，作为化能/光能自养硫氧化细菌，其核心代谢过程——还原态硫化物氧化与CO₂固定耦合——对环境条件高度敏感。土壤pH通过直接调节硫化物的化学形态来深刻影响其生物有效性。在酸性至中性条件下，硫化物主要以电中性的硫化氢分子形式存在，易于被微生物细胞吸收利用。然而，随着环境趋于碱性，化学平衡向解离方向移动，将H₂S转化为带负电的硫氢根离子和硫离子，这些带电离子形式跨膜运输阻力增大，生物有效性显著降低。因此，日益碱化的条件可能通过限制关键硫氧化细菌对必需营养底物的获取，从而抑制其生长和固碳活性。冗余分析进一步揭示，在属水平，总氮是影响cbbM固碳微生物群落最重要的环境因子。分析显示总氮与光能自养硫氧化细菌Thiodictyon的相对丰度呈显著负相关。这可能反映了在高总氮条件下，环境氮形态和供给的变化抑制了具有固氮能力的Thiodictyon的竞争优势。

5. 结论

本研究结果表明，尽管短期增温驱动了高寒湖滨湿地cbbM固碳微生物群落结构的重组，但并未显著改变其核心代谢功能。群落功能谱的稳定性主要归因于微生物群落内部高度的功能冗余，具体表现为硫氧化和光养等关键代谢过程由多个分类单元共同承担，从而缓冲了环境扰动对生态系统功能的影响。同时，虽然增温在一定程度上增强了确定性过程在群落组装中的作用，但整体代谢功能并未发生显著偏移。此外，土壤pH和总氮是解释高寒湿地cbbM固碳微生物多样性和群落结构变异的最重要因子。本研究结果强调，在高寒湿地生态系统中，微生物功能冗余是维持核心固碳功能稳定性的关键机制，这对评估未来气候变暖背景下湿地碳循环功能的响应具有重要启示。然而，考虑到实验持续时间相对较短（三年），观察到的稳定性很可能反映了这种极端高寒环境下的短期生态弹性。需要进行长期监测，以确定持续的增温是否会最终破坏这种功能稳定性，并引发群落多样性和碳循环的更深刻转变。