Nature | 构建开放共享的北美河流微生物群落功能数据库

生态学文献分享 · 公众号 · · 2024-11-25 20:40

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河流不仅是营养物质在水陆生态系统间转运的枢纽，还在碳、氮循环以及污染物降解等生物地球化学过程中扮演关键角色。然而，以往针对河流微生物的研究多集中于单一基因层面的分析，难以很好地揭示微生物功能与环境变量的关联。此外，大多数研究局限于单一河流系统，缺乏对跨流域微生物群落的全面认识。因此，建立一个基于基因组分辨率的功能数据库成为当前亟待解决的问题。

近期 Nature 上发表的一项研究对此进行了探索。研究题目为 A functional microbiome catalogue crowdsourced from North American rivers ，由美国科罗拉多州立大学 Mikayla A. Borton 和 Kelly C. Wrighton 团队领衔完成。该研究通过公众科学（ community science ）的独特方式，构建了覆盖美国 90% 河流流域的、开放式微生物功能数据库（ Genome Resolved Open Watersheds database, GROWdb ），为未来的水质预测和生态管理提供了关键工具。

图 1. Borton 与 Wrighton 课题组网页。

该研究采用公众科学的参与模式，组织了 100 多个科研团队，在全美 106 个河流采样点收集了 163 份样本，涵盖流域面积的 90% 。通过高通量测序，获取了超过 3.8Tb 的宏基因组和转录组数据，并结合 287 项地球化学和地理变量进行分析。所有数据被整合到 GROWdb 中，并通过多种开放平台（如 KBase 和 NMDC ）对外共享。研究主要结果如下。

图 2. 本研究的实验设计与样点分布。

第一，微生物组成方面。 GROWdb 包含来自 27 个门、超过 2000 个高质量宏基因组装（ MAGs ）的数据，其中包括 128 个新属和 10 个新科的微生物。 Actinobacteria 、 Proteobacteria 、 Bacteroidota 和 Verrucomicrobiota 是相对多度最高的核心菌门，其中 Planktophilia 属的多度和活性在样本中占主导。

第二，功能性状与生物地球化学重要性。本研究发现，超过 90% 的核心活跃属具备好氧呼吸和光驱动代谢能力，能利用光能或氧化硫等无机电子供体生成能量。样本中还发现了与抗生素、塑料和氟化物等新型污染物的转化能力相关的基因，表明河流微生物在污染物降解中的潜在贡献。

第三，流域规模的微生物群落格局。研究发现河流等级（ stream order ）是影响微生物群落结构的最重要因素，这与“河流连续体概念”一致。基因表达的光驱动代谢与流域的气温相关，也显示了气候变化对河流生态系统的潜在影响。