揭示南极彩色雪中的微生物群落与生物地球化学循环

《BMC Microbiology》：Unveiling microbial communities and biogeochemical cycles in Antarctic colored snow

　　

摘要

南极洲广阔的陆地栖息地——雪面，有时会呈现出鲜艳的色彩，但其微生物群落的结构与功能至今仍不甚清楚。通过对菲尔德斯半岛的红色雪和绿色雪进行宏基因组测序，我们发现细菌、真核生物和古菌的相对丰度分别为85.82%、13.52%和0.16%。在这三个生物域中，红色雪与绿色雪的β多样性存在显著差异（P?<?0.05）。主要的细菌门类包括拟杆菌门（红色雪：62.61%；绿色雪：38.72%）和假单胞菌门（红色雪：32.80%；绿色雪：54.10%）。在真核生物中，绿藻门（红色雪：58.10%；绿色雪：52.98%）和担子菌门（红色雪：14.80%；绿色雪：8.08%）较为常见。古菌中以纳诺贝德洛塔门为主，其在红色雪中的丰度低于绿色雪。在藻类群落中，Sanguina、Gonium和Chloromonas在红色雪中含量显著更高，而Chlorella和Micractinium则在绿色雪中更为丰富（P?<?0.05）。在绿色雪和红色雪中都发现了与碳、氮、磷、硫循环相关的标记基因。红色雪中以有氧呼吸和磷酸盐调控相关基因为主，而绿色雪中则以二氧化碳氧化、发酵和反硝化相关基因为主。与这些功能途径相关的关键微生物属也有所不同。在红色雪的反硝化过程中，Stutzerimonas是含量最高的属，而在绿色雪中则以Janthinobacterium为主。根据目前的宏基因组数据，只有红色雪中检测到了与硝化作用相关的基因。从拓扑结构来看，红色雪的微生物群落网络可能更为复杂且更具抵抗力，这不仅有助于其长期生存，还可能通过保持低反照率的雪面来影响雪融水的正反馈效应。这在气候变暖背景下具有重要的生态意义：红色雪范围的扩大可能会增加硝酸盐的流失，进而影响南极沿海水域的氮营养水平。总体而言，本研究通过宏基因组技术比较了红色雪与绿色雪在多生物域（细菌、古菌和真核生物）的组成与多样性，并将关键的微生物类群与生物地球化学循环的功能基因直接关联起来，为了解南极彩色雪的生物学特征及功能潜力提供了新的见解。