文献分享 | 土壤宏基因组：探索地下生态的“神秘面纱”

引言

地下生态系统中蕴藏着无数的微生物，这些微生物的活动直接影响着土壤的肥力和生态平衡。通过宏基因组技术，我们能够揭开这些微生物的神秘面纱，探索它们在土壤中的角色和相互作用。今天小编主要给大家分享3篇宏基因组技术在土壤中的研究应用，希望能给各位老师带来一些新的研究思路。

案例1

青藏高原高寒冻土微生物群落结构与代谢的宏基因组研究

期刊名称：Nature communications

影响因子：14.7（Q1）

发表时间：2024.7

摘要

冻土以其冻结的土壤为特征，是多种微生物的独特栖息地。了解这些微生物群落对于预测冻土生态系统对气候变化的响应至关重要。然而，关于微生物剖面的地层变化的大规模证据仍然有限。本研究基于16S rRNA基因扩增子测序和宏基因组数据，分析了青藏高原约1000 km多年冻土带微生物群落结构和功能潜力。作者发现微生物的α多样性下降但β多样性增加。微生物群落主要受扩散限制和漂移的控制，随着土壤深度的增加，漂移的重要性降低，而扩散限制的重要性增加。此外，与还原反应(如三价铁还原、异化硝酸盐还原和反硝化作用)相关的基因在地下和冻土层中富集。此外，参与替代电子接受过程的微生物群体更加多样化，并对地下和冻土层的群落水平代谢谱做出了高度贡献，这可能反映了深层土壤中较低的氧化还原电位和更复杂的微生物营养策略。综上所述，这些发现为多年冻土区微生物群落结构和功能潜力的大尺度地层剖面提供了全面的见解。

图1 宏基因组组装基因组（MAG）的系统发育、分类学、代谢途径和基因组大小的概况

案例2

全球土壤病毒图谱揭示了尚未探索的生物多样性和潜在的生物地球化学影响

期刊名称：Nature microbiology

影响因子：20.5（Q1）

发表时间：2024.6

摘要

历史上被微生物生态学家忽视的土壤病毒，现在被认为是全球生物地球化学循环的关键。然而，我们对它们的全球分布、活动以及与土壤微生物组的相互作用的了解仍然有限。在本文中提出了全球土壤病毒图谱，这是一个综合数据集，由之前测序的2,953个土壤宏基因组数据整合，由616,935个未培养的病毒基因组和38,508个独特的病毒操作分类单元组成。全球土壤病毒图谱的稀疏曲线表明，大多数土壤病毒多样性仍未得到探索，进一步强调的是样品之间的高空间周转率和共享的病毒操作分类单位的低比率。通过检测与生物地球化学功能相关的基因，我们还展示了病毒影响土壤碳和养分循环的潜力。这项研究代表了土壤病毒多样性的广泛表征，并为发展关于病毒圈在土壤微生物组和全球生物地球化学中的作用的可测试假设提供了基础。

图2 土壤病毒与其宿主之间的关系

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案例3

微生物在调节土壤碳动态以应对变暖中的双重作用

期刊名称：Nature communications

影响因子：14.7（Q1）

发表时间：2024.7

摘要

研究土壤微生物群落对气候变暖的响应及其对土壤碳(C)过程的控制对预测冻土C-气候反馈具有重要意义。然而，以往的研究主要集中在微生物介导的土壤碳释放，对于气候变暖是否以及如何影响多年冻土区的微生物合成代谢和随后的碳输入知之甚少。在此，杨元合研究员团队基于长达半个多世纪的原位增温试验表明，与环境控制相比，增温显著降低了微生物C利用效率，增加了微生物网络复杂度，促进了土壤异养呼吸。总之，这些结果表明，微生物在影响土壤碳释放和稳定方面具有双重作用，这意味着随着时间的推移，冻土的碳气候反馈将减弱，微生物呼吸的响应减弱，稳定碳库的比例增加。

图3 试验性增温对表层土壤宏基因组中 CAZy 基因相对丰度的影响

宏基因组技术让我们能够从基因层面研究土壤中的微生物群落，这一技术改变了我们对土壤生态系统的理解。通过分析土壤中的基因数据，我们可以发现微生物的多样性及其功能，进而为土壤改良和生态保护提供科学依据。

参考文献

[1] Kang L, Song Y, Mackelprang R, et al. Metagenomic insights into microbial community structure and metabolism in alpine permafrost on the Tibetan Plateau[J]. Nature Communications, 2024, 15(1): 5920.

[2] Graham E B, Camargo A P, Wu R, et al. A global atlas of soil viruses reveals unexplored biodiversity and potential biogeochemical impacts[J]. Nature Microbiology, 2024: 1-11.

[3] Qin S, Zhang D, Wei B, et al. Dual roles of microbes in mediating soil carbon dynamics in response to warming[J]. Nature Communications, 2024, 15(1): 6439.

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