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迎新年,启新篇 | 天昊微生物宏基因组测序在动物尸体分解中的磷循环研究成果见刊中科院一区期刊(IF:11.1)
发布时间:2024-02-02
2024年元旦已过,农历新年即将来临。伴着新春的脚步,我们天昊生物的客户们也是收获多多,好文章频频见刊。

近期,来自兰州大学李欢教授课题组的科研人员,在国际著名环境期刊《Journal of Cleaner Production(IF=11.1,中科院一区)上发表研究论文。该研究利用天昊微生物宏基因组测序和总菌16S rRNA基因测序等技术探讨了水体动物尸体分解过程中磷循环通路和磷浓度对温度的响应机理结果发现,升温会直接降低总有机磷浓度,并通过微生物群落间接影响总有机磷,通过有机磷矿化、磷转运间接增加总无机磷浓度,通过微生物群落间接降低总无机磷的浓度。本研究为气候变暖下水生生态系统中磷循环过程和磷动态提供了新的见解。

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英文题目:Temperature rise alters phosphorus pool in corpse polluted water by inhibiting organic phosphorus mineralization and phosphorus transports
中文题目:升温通过抑制有机磷矿化和磷转运改变尸体污染水中的磷库
第一作者:韩倩
参与作者:母鲜鲜,甘雪莹,王思洁,俞巧玲
通讯作者:李欢 教授
发表期刊:Journal of Cleaner Production
影响因子:11.1
中科院分区:一区
论文DOI
https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2023.140161



图片摘要

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研究摘要
磷循环是生物地球化学循环的重要组成部分,在水生态系统的营养循环中扮演关键角色。然而,在水生环境中,微生物磷循环基因和磷库对温度和尸体分解的响应机理仍不为人了解。通过结合宏基因组测序技术和水体理化分析,本研究在5个温度梯度(2326293235℃)下,深入探讨了黄河水中鱼类尸体分解过程中磷循环基因和磷浓度的变化。研究发现,温度可以预测尸水中约37%的磷循环基因,其中phoRugpBppa对升温为敏感。在尸体组中,升温抑制了水体有机磷矿化和磷转运过程。细菌门中含有磷循环基因的主要有变形菌门、放线菌门和拟杆菌门。值得注意的是,升温直接降低了水中总有机磷浓度,并通过抑制有机磷矿化和磷转运途径增加了总无机磷浓度。然而,尸体分解却增加了总有机磷和无机磷的浓度,促进了磷转运和磷调节过程。这项研究阐明了磷循环基因对温度和尸体分解的响应机理,为全球变暖下人工管理和去除动物尸体对水体磷污染提供了重要信息。



研究背景
气候变暖会影响生物多样性和生态系统功能。近年来研究者探索了生态系统磷循环基因及功能微生物的影响因素,但很少有研究探讨气候变暖下水生环境中磷循环是如何变化的,尤其是变暖如何在动物尸体分解的干扰下影响水中参与磷循环的基因和微生物。
黄河是中国的母亲河,也是兰州三百七十多万居民的唯一饮用水源,黄河的水质与环境安全和公众健康息息相关。既往研究表明,黄河尸体分解可能导致水质恶化和富营养化。因此,本研究采用微生物宏基因组测序等方法,研究了温度梯度对尸体污染黄河水中微生物磷循环相关功能基因的影响。本研究假设尸体分解可以改变温度对磷循环相关功能基因的影响。在此基础上,提出了三个科学问题:(1) 温度和尸体分解是否会影响磷循环基因和磷循环通路以及磷库?(2) 哪些微生物类群携带磷循环基因,它们随温度和尸体分解如何变化?(3) 磷浓度是否与磷循环基因和通路的变化有关?



研究方法
本研究采用了40个可控温塑料水箱系统模拟升温试验,利用黄河水作为鲤鱼尸体分解水源。其中一半水箱(20个)放入鱼尸体作为尸体组(EW),另一半没有鱼尸体的水箱作为对照组(CW),将尸体组和对照组水温控制在不同梯度(2326293235℃)。每组设置4次重复。实验结束后,收集水样进行理化参数的测定,包括 pH 值、总溶解固体TDS)、总碳(TC)、总氮(TN)、氨氮(NH4–N)、硝酸盐氮(NO3–N)、溶解氧(DO)、电导率(CON)、盐度、氧化还原电位(ORP)、总有机磷(TOP)、总无机磷(TIP)、总磷(TP)、N:P化学计量比和总硫(TS)。
本研究还对水样进行了16S rRNA扩增子及宏基因组测序,以及总细菌的qPCR绝对拷贝数检测系统进行了微生物多样性及功能基因等相关分析。


研究结果

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1实验设计和关键磷代谢过程及其基因丰度变化。a)升温实验的实验设计。(b)关键磷代谢途径。


本研究共检测到35中磷循环相关的微生物功能基因,分别属于有机磷矿化、无机磷溶解、磷饥饿调节和磷转运四个磷代谢过程(1b)。与对照组相比,尸体组中17种磷循环基因显著富集。其中,磷转运过程中富集的基因多,ugpBugpA  ugpC富集47倍。有机磷矿化过程中phnOphnNphnLphnM等富集425倍。参与磷饥饿调节的phoB phoR富集了约2倍。而参与无机磷溶解的ppx-gppAgcd在尸体组中显著减少。

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2、磷循环基因丰度、群落多样性及相似性分析。

总体而言,尸体组中磷循环基因的TPM丰度高于对照组,pstBphoBpstS是丰富高的3个磷循环基因(2a)线性拟合结果表明,随着对照组温度的升高,循环基因的α多样性(Chao1Observed OTUs)显著降低,而尸体组无显著变化(2cd)。PCoAPERMANOVA结果显示,尸体分解显著改变磷循环基因的结构,而温度对其影响不显著(2e, f)。此外,尸体组和对照组间基因相似性与温度呈显著正相关(2b),说明随着温度升高,磷循环基因发生趋同演替。

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3、磷循环基因和通路随温度的线性回归结果。磷循环基因(a)、5个磷循环基因(b-f)和涉及4个磷转化途径(g-j)的温度与TPM丰度之间的线性回归。


尸体组中磷循环基因的总丰度随温度升高显著增加,而对照组则呈现相反的趋势(3a)。具体来说,尸体组和对照组中分别有13 (37.14%) 18 (51.43%) 个基因与温度显著相关,其中phoRppa 在尸体组和对照组中均随温度升高而显著升高(3c, e)phnX随温度升高而显著降低(3b);尸体组中phnOugpB与温度显著负相关(3d, f),而在对照组中与温度显著正相关。对照组中四条通路基因丰度随温度升高而显著升高,尸体组中除有机磷矿化和磷转运外,参与无机磷溶解和磷饥饿调节的基因随温度升高而显著升高(3g-j)

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4、磷循环基因网络和拓扑特征。

本研究构建了尸体组和对照组磷循环基因的共现网络(|r|>0.5P < 0.05),与对照组相比,尸体组的网络更加复杂和紧密(4a, b)。此外,本研究还计算了网络的拓扑特性(4c-h)。结果发现,尸体组网络中平均度,图密度和平均聚类系数高于对照组,而平均路径长度,图直径和模块化值低于对照组(4c-h),说明尸体分解使磷循环基因功能更集中,并且增加了基因之间的竞争关系。

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5、磷循环细菌在门和属水平的组成及丰度变化。

门水平上, Bacteria(UG)Proteobacteria Actinobacteria为主要优势门(5a)。属水平上除了未分类细菌外LimnohabitansHydrogenophaga Methyloversatilis为主要优势属(5b)。随着温度升高Proteobacteria的丰度增加,而Bacteroidetes的丰度降低。此外,我们发现Proteobacteria在尸体组中显著富集,而其他菌门 (Actinobacteria, RokubacteriaFirmicutes)显著减少(5c)。尸体分解使BurkholderialeHydrogenophaga显著富集,使RubrivivaxConexibacterThermoleophilia (UG)显著减少(5d)

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6、磷循环基因与水体理化性质的关系


Spearman秩相关性分析结果发现,总磷(TP)、总无机磷(TIP)和参与有机磷矿化和磷转运的18个基因(phnIphnJphnN)正相关,而与ppx-gppA负相关。总有机磷(TOP)16个磷循环基因显著相关,其中与phoNphnMphnX等显著正相关,与glpQugpQppx-gppA等显著负相关;水体氮磷化学计量比与参与磷转运的大多数基因和某些基因如pstBACSphnCEDugpCAB呈显著负相关(P < 0.05)。溶解氧(DO)与除ppx-gppA外的19个基因(属于有机磷矿化和磷转运)呈正相关(6a)
PERMANOVA分析和Mantel检验可以检测磷循环基因的关键驱动因素。PERMANOVA结果显示微生物β多样性、DO、尸体分解和TN是磷循环基因重要的四个影响因子(6b)
    此外,16S rRNA基因拷贝数与磷循环基因谱存在着显著相关性,说明总菌的绝对定量拷贝数检测在微生物研究中的重要作用。所有水体理化性质(ORPCON、盐度、TDSTPNH4–NNPTIPpHTSTOPTC  NO3–N)对磷循环基因谱也有显著影响。

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7、温度、尸体分解、磷转化途径和磷循环微生物组对水中TIP a–d)和TOPe–h)浓度影响的偏小二乘路径模型分析。


利用偏小二乘路径模型(PLS-PM),分别对温度、尸体分解、磷循环通路和微生物对总无机磷(7a-d)和总有机磷(7e-h)的直接和间接影响进行了分析。结果发现,尸体分解可以直接增加水中总无机磷(r = 0.729)和总有机磷(r = 0.573)浓度。尸体分解还通过微生物和条磷循环途径(包括有机磷矿化、无机磷溶解、磷转运和磷饥饿调节)间接影响水体总无机磷浓度。温度对总有机磷产生直接的负效应(r = -0.187),并通过微生物群落间接影响总有机磷,通过有机磷矿化、磷转运间接增加总无机磷浓度,通过微生物群落间接降低TIP浓度。



研究结论
总体而言,本研究为气候变暖和尸体分解对水体磷循环过程的影响提供了新的见解。温度通过影响磷循环基因丰度和四种主要的磷代谢途径来促进水生环境磷循环。尸体分解导致磷循环基因网络更加复杂,增加了基因间的竞争关系,同时调控了温度对磷循环的影响。此外,温度和尸体分解直接影响总有机磷浓度,温度通过改变有机磷矿化和磷转运间接影响总无机磷浓度,而尸体分解主要通过细菌群落影响水体总无机磷。本研究可为气候变暖和动物尸体养分输入情景下的除磷和水体富营养化治理提供重要参考。



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