Nature子刊 | 微生物组促进热带珊瑚的氮元素循环 - 海洋地球化学循环

2 g, a4 P3 K/ k! I" E, A% y9 g9 Z5 Y

生物地球化学循环周而复始，循环不息，是生物圈得以维持的重要条件。微生物由于其分布广泛、多样的代谢能力、高酶促活性，因而在生物地球化学循环中起主要作用，也是生物地球化学循环的核心，在海洋、土壤和淡水等环境中都可以观察到。

! S' l7 R; Q8 L$ K3 P6 T: o

珊瑚礁生态系统是地球上生物多样性最丰富、生产力最高的典型生态系统之一，被誉为“海洋中的热带雨林”。热带石珊瑚共生微生物群落具有进行一系列氮转化所需的功能多样性，包括反硝化、硝化、固氮和异化硝酸盐还原为铵（DNRA）。2021年发表于ISME期刊的“Microbially facilitated nitrogen cycling in tropical corals”文章通过捕获的宏基因组学研究了热带石珊瑚中氮循环的过程。

, u7 M9 i5 R4 b# m/ ]" t" Q5 J; g

研究设计

" \0 T- m: [, P! Q& g% q

作者从大堡礁热带岛屿1-3米深度处，收集了六个具有代表性的石珊瑚群落：Acropora grandis（AG）、Acropora pulchra（AP）、Porites cylindrica（PC）、Montipora digitata（MD）、Isopora elizabethensis（IE）和Isopora cuneata（IC）。通过在光照和黑暗条件下孵化珊瑚群落，检测群落中N相关物质含量变化。使用P. cylindrica（PC）作为模型物种，设计捕获探针，通过宏基因组学来表征与固氮、硝化、反硝化、厌氧氨氧化和DNRA相关的氮循环功能标记基因的丰度和物种组成。

& ]6 ~0 A6 I/ @ S( ~) y) x

研究结果

2 ~9 P$ {! a( X; g

1、热带珊瑚微生物群落中反硝化和硝化作用活性的证据

4 L6 [% g0 x$ F' ]$ U! W/ r

在所有测试的热带珊瑚物种中都有反硝化作用，即N₂、N₂O和NO的累积释放。所有物种在光照和黑暗条件的净硝化速率存在显著的种间差异（p < 0.009）。

: @9 [' U8 G8 h/ A: K

图1 ¹⁵NO₃¯和¹⁵NH₄﹢处理下总N₂产量

图2 净硝化率测量

A光照和黑暗孵化中的平均种间净硝化作用。B按物种分类的净硝化作用。浅色调代表光孵化的珊瑚。深色调代表黑暗孵化的珊瑚。

8 e: W/ j0 z( q7 F. m3 b( J

2、N循环路径

所有检测物种中，都发现了通过N₂固定（DDN）对 N 的同化作用，且在黑暗中DDN的同化明显大于光照培养的珊瑚。在物种内，这种趋势仅在A. pulchra 中显著（p = 0.007）（图3B），DDN 同化存在显著的种间变异性。

+ \8 z: X( @" u7 |0 b

图3 固氮菌衍生的氮 (DDN) 同化率

4 X9 ]" |% s9 b3 R, h8 ~

珊瑚群落能将NH₄﹢同化为生物量，在光照下比在黑暗孵化下发生的同化更快，且物种之间的显著差异（p < 0.001）。

图4 DON（红色）、NO₃¯（浅灰色）、NH₄﹢（深灰色）和 N₂（黑色）在珊瑚生物体内的净通量

3、异化硝酸盐还原为铵（DNRA）活性

4 m7 D8 S7 I- {7 \# A5 [ B

DNRA活性估计很大程度上受NH₄﹢同化与NO₃¯同化的比率影响，NH₄﹢同化比NO₃¯高 1-2 个数量级。黑暗条件下的DNRA活性范围为 660-80 µmol N m-2 d-1（图 5A），暗相关DNRA 呈现出一种潜在的重要养分保留途径。而光照条件下的DNRA活性更难估计。

. g# g# r, O3 i1 _

图5 与NO₃¯质量平衡模型描述了潜在的DNRA活性

4、捕获宏基因组研究氮循环

5 \% M; p s+ l0 V

通过捕获宏基因组学分析的结果在很大程度上与珊瑚N循环的生物地球化学证据一致。宏基因组未检测到与厌氧氨氧化（hzoA）或氨氧化（amoA，hao）相关的功能基因，但发现了一些亚硝酸盐氧化功能标记基因（nxrB），占N循环基因的3.6%图6A）。大部分检测的是硝酸盐还原基因、napA (29.4%)和narG (4.1%)。

捕获的napA基因微生物以弧菌为主，通常讲NO₂¯还原为NH₃，在O₂限制下进行DNRA。包含narG基因的微生物表现出多种硝酸盐还原途径，包括硝酸盐呼吸、DNRA、耦合硝化-反硝化和典型反硝化。这些基因途径主要有假单胞菌目、红杆菌目和根瘤菌目驱动（图6C）。这表明DNRA可能是P. cylindrica微生物组内主要的异化硝酸盐还原途径。

5 a9 [& \5 Q" o) M0 w

图6 捕获宏基因组获得的功能标记基因。

A 特定N循环基因占总捕获的N循环基因的比例，B 各种N循环功能基因反应途径，C 捕获的N循环基因的类别和目水平多样性，以及功能标记基因的相对丰度。

& O6 C+ |6 W" m# F0 W

总结

+ t1 J7 U1 G6 \

多样化和动态的N循环微生物群落是珊瑚共生体的普遍特征，本文通过捕获宏基因组研究了热带珊瑚中一种非常活跃的N循环——途径异化硝酸盐还原为铵（DNRA），为热带珊瑚相关的生物地球化学N循环提供了重要信息。

2 f- q/ a0 o* P% l

参考文献

" X9 x6 I5 j" t

Microbially facilitated nitrogen cycling in tropical corals. The ISME Journal, 2021.

DOI:10.1038/s41396-021-01038-1

往期精彩

8 m- m0 j- F; d9 N3 E

宏基因组也能挖矿？

元素故事系列1：土壤团聚体的氮磷循环

元素故事系列2：缺氧海洋中潜在的病毒介导氮循环