《Water-Energy Nexus》：Species-specific salinity adaptation mechanisms drive niche partitioning of nitrite-dependent anaerobic methane oxidation bacteria in a natural wetland gradient
编辑推荐：
湿地硝酸盐依赖型厌氧甲烷氧化菌（N-DAMO）沿盐度梯度分布特征及适应性机制研究，采用多组学整合分析揭示菌群结构随盐度显著变化但潜在活性稳定，四个优势物种通过外多糖合成、渗透调节及应激响应等特异性基因潜能实现生态位分化，证实盐度通过调控土壤碳氮库间接影响N-DAMO菌群，为湿地甲烷减排策略提供首个系统性分子机制框架。
任子轩|文玉婷|马玉山|李明辉|王立新|于瑞红|吴琳辉
内蒙古大学生态与环境学院，呼和浩特，010021，中国
摘要
亚硝酸盐依赖的厌氧甲烷氧化（N-DAMO）是调节湿地生态系统甲烷排放的关键过程。然而，使N-DAMO细菌能够适应并占据不同生态位（如盐度）的物种特异性机制仍 largely 未知。这使得预测这些细菌的生态功能变得困难。在本研究中，我们调查了乌兰苏海湿地沿自然盐度梯度分布的N-DAMO细菌群落的结构、功能多样性和物种特异性盐度适应机制。研究采用了宏基因组测序、同位素示踪实验、定量PCR和生物地球化学测量的综合方法。结果表明，盐度显著改变了N-DAMO细菌的群落结构和多样性，而其潜在活性在功能上保持稳定。这种功能韧性是由四种优势物种Candidatus Methylomirabilis之间的不同生态位划分所支撑的。每种物种在胞外多糖生物合成、渗透调节和应激响应方面表现出独特的基因组潜力。此外，N-DAMO过程构成了重要的甲烷汇，占观察到的厌氧甲烷氧化活性的39.5%。路径分析进一步表明，盐度通过直接途径以及土壤碳和氮库介导的间接途径调节N-DAMO细菌群落。本研究首次建立了N-DAMO细菌的物种特异性基因组特征与盐度适应和生态位划分之间的机制框架，为预测湿地甲烷排放提供了新的见解。
引言
甲烷（CH?）是一种强效的温室气体，其100年全球变暖潜能值（GWP-100）大约是二氧化碳的28倍（Zhao等人，2024年）。甲烷排放量每年仍持续增加约1000万吨，进一步加剧了其对气候的影响（Tan等人，2023年）。这一上升趋势凸显了迫切需要理解和增强调节甲烷排放的天然生物汇。甲烷的厌氧氧化（AOM）已成为减少甲烷的关键过程，作为防止大量甲烷进入大气的主要生物过滤器（Ye等人，2026年；Gauthier等人，2015年；Su等人，2022年）。虽然AOM过程可以与多种电子受体耦合，但亚硝酸盐依赖的厌氧甲烷氧化（N-DAMO）因其显著的热力学产率和在反硝化过程中独特地减少一氧化二氮（N?O）的产生能力而脱颖而出（Barney等人，2024年；Ren等人，2024年；Yang等人，2023年；He等人，2021年；Montzka等人，2011年）。因此，N-DAMO过程在抑制CH?和N?O排放方面发挥着双重作用，使其成为气候变化缓解策略中的关键角色。该过程仅由NC10门细菌介导。目前，在Candidatus Methylomirabilis属中已鉴定出四种物种：M. oxyfera（Ettwig等人，2010年）、M. sinica（He等人，2016a年）、M. limnetica（Graf等人，2018年）和M. lanthanidiphila（Versantvoort等人，2018年）。这些细菌是唯一已知的能够进行AOM的细菌群体，而所有其他厌氧甲烷氧化微生物都是古菌（He等人，2016a年）。
盐度是一个主要的环境变量，通过调控渗透平衡、酶活性和整体代谢功能对微生物生命产生深远影响（Luo等人，2025年；Selak等人，2025年；Chen等人，2022年）。因此，了解盐度对N-DAMO过程的影响对于预测其在不同自然和人工环境中的有效性至关重要。先前的研究已经揭示了高盐度对N-DAMO过程的抑制作用，但这些研究显示微生物对盐度的耐受性存在差异，N-DAMO细菌在盐胁迫下的韧性大于古菌（Li等人，2022年）。此外，分子证据证实了NC10细菌存在于高盐环境中（Yang等人，2012年）。然而，这些研究主要集中在人工系统或富集培养物中的微生物群落多样性上。自然湿地中N-DAMO细菌沿盐度梯度的原位功能活性、群落动态和适应机制仍待探索。
自然湿地仅占地球陆地表面的5-8%，但每年释放约103 Tg CH?，占全球甲烷排放量的20-40%（Zhao和Lu，2023年；Mitsch等人，2013年；Bastviken等人，2011年）。这些生态系统至关重要，是评估甲烷排放升温效应的关键系统。特别是寒冷地区和盐环境中的湿地由于其独特特性和对全球气候变化及人为干扰的高度敏感性而受到越来越多的关注（Xu等人，2025年）。这些生态系统是研究微生物适应机制的宝贵天然实验室。乌兰苏海湿地是一个典型的寒旱湿地，被誉为黄河流域的“天然肾脏”，为研究N-DAMO细菌对自然盐度梯度的响应提供了独特的机会，避免了实验室模拟可能无法完全捕捉原位环境条件的局限性。
为了填补这些知识空白，本研究调查了乌兰苏海湿地沿自然盐度梯度分布的N-DAMO细菌的活性、群落结构、丰度和适应策略。研究目标包括：（1）评估N-DAMO细菌沿自然盐度梯度的活性、丰度和群落组成的变化，以及控制这些模式的关键环境因素；（2）N-DAMO物种在盐度胁迫下的生态位差异和响应；（3）基于功能基因表达和标记分析推断的潜在分子机制，这些机制解释了N-DAMO细菌物种对盐度的不同耐受性。
这项研究将全面了解N-DAMO细菌物种如何适应盐度胁迫。研究结果有望为这些细菌的生态生理学提供基本见解。
部分摘录
地点描述和样本采集
乌兰苏海湿地位于中国内蒙古的巴彦淖尔市。这是黄河流域最大的湿地，也是沙漠和半沙漠地区罕见的大型草原湖泊。该湿地具有温带大陆性气候，年平均降雨量为200-250毫米，平均蒸发量为1900-2300毫米。乌兰苏海湿地在净化水源、保障洪水季节黄河流域的安全以及控制盐碱化方面发挥了重要作用
不同电子受体对乌兰苏海湿地土壤中AOM的贡献
乌兰苏海湿地土壤中亚硝酸盐依赖、硝酸盐依赖和硫酸盐依赖的AOM过程的潜在速率分别为0.28–2.77、0.20–3.39和0.42–2.81 nmol CO? g?1·d?1（图S1）。所有三种过程的最低速率出现在MS样地中。在LS样地中，N-DAMO过程的速率显著高于硝酸盐依赖的AOM（p < 0.05，图2）。总体而言，这三种途径的活动表明N-DAMO是主要的甲烷汇讨论
本研究首次全面调查了自然湿地生态系统中N-DAMO细菌群落的结构、功能多样性和物种特异性盐度适应机制。我们的综合方法揭示了由不同基因组特征调控的复杂微生物生态位划分模式，为动态盐环境中的甲烷循环调节提供了新的见解。
结论
本研究首次全面调查了自然湿地生态系统中N-DAMO细菌物种的物种特异性盐度适应机制和生态位划分。主要结论如下：
- 1)
尽管盐度显著改变了群落结构，但N-DAMO的潜在活性在盐度梯度上保持功能稳定。
四种N-DAMO物种表现出不同的盐度适应生态位，其中M. oxyfera
表现出特别广泛的适应性CRediT作者贡献声明
任子轩：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，概念化，研究方法，数据管理。文玉婷：资源获取，可视化。马玉山：研究方法。李明辉：验证。王立新：监督，资金获取。于瑞红：撰写 – 审稿与编辑，资金获取。吴琳辉：撰写 – 审稿与编辑，资金获取，概念化，监督。
CRediT作者贡献声明
任子轩：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，研究方法，数据管理，概念化。文玉婷：可视化，资源获取。马玉山：研究方法。李明辉：验证。王立新：监督，资金获取。于瑞红：撰写 – 审稿与编辑，资金获取。吴琳辉：撰写 – 审稿与编辑，监督，资金获取，概念化。利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。
致谢
本研究得到了内蒙古自然科学基金（项目编号2024MS03027）、呼和浩特“开放竞争引领”科技项目（2024- 开放竞争引领-农业-1-1）、内蒙古科技重大项目（项目编号2022YFHH0017和2023YFHH0053）以及中国国家自然科学基金（项目编号52279067）的支持。
