博鱼体育科研 SBB：两个恢复沼泽自然干旱后微生物群落动态和生态系统甲烷通量的一致变化

　　博鱼体育科研 SBB：两个恢复沼泽自然干旱后微生物群落动态和生态系统甲烷通量的一致变化

　　本研究表明，干旱影响下沼泽CH4排放的减少与孔隙水化学和微生物群落动态的多重实质性变化有关，且某些微生物群落动态的变化可能具有地点特异性。

　　干旱事件的频率和强度预计都将会增加，而泥炭地甲烷循环和相关微生物群落的改变尚未明确。虽然现有的研究已经通过条件控制实验方法评估了干旱的影响，但据我们所知，没有研究检测自然干旱对恢复温带沼泽的原位影响。在本研究中，我们基于DNA和cDNA进行qPCR和16S rRNA基因扩增子高通量测序，来测定2018年欧洲夏季干旱后总微生物群落和推测的活跃微生物群落的丰度和群落结构。结合地球化学参数和甲烷通量数据，我们将这些结果与非干旱参考数据集进行了比较。

　　这与孔隙水地球化学的显著变化相一致。干旱年份的微生物群落组成差异显著，其特征是好氧甲烷氧化菌的相对丰度和总丰度较高，而其中一个站点的总产甲烷菌丰度降低。

　　cDNA测序证实了I型甲烷氧化菌在干旱期间的活性，Methylomonaceae科的细菌cDNA转录本的平均相对丰度最高。研究结果表明，

　　在恢复沼泽自然干旱后，其微生物群落动态、孔隙水地球化学和生态系统甲烷通量会发生显著变化，并首次提供了来自自然干旱的原位证据，这表明在应对干旱影响时，I型甲烷氧化菌群比II型甲烷氧化菌更活跃。受自然干旱影响的恢复温带沼泽中，I型甲烷氧化菌可能是控制甲烷排放的关键微生物。

　　参考Wen等人(2018)非干旱年的实验数据，本研究于2018年8月30日和9月12日在Hütelmoor和Zarnekow收集干旱年的泥炭和孔隙水样品。每个沼泽地设干/湿子站点，在3个剖面深度(0-10, 20-30, 40-50 cm)收集泥炭岩芯(图1)，进行微生物群落组成、溶解CH

　　浓度、TEAs浓度、碳同位素、体积密度及孔隙水地球化学分析。仅在干旱年采用总RNA逆转录和cDNA测序来建立活跃微生物的群落结构；非干旱年每个沼泽取两个采样点与干旱年收集的数据进行比较，采用扩增子序列变异方法，对非干旱年的测序数据进行重新分析。通过对受自然干旱影响的恢复沼泽中的总微生物、产甲烷菌和甲烷氧化菌群落动态以及CH

　　图1. 研究地点为德国东北部(a)，采样地点为海滨沼泽Hütelmoor(b)和河岸沼泽Zarnekow(c)。两个采样点分别位于无植被湿(WU)和无植(DU)子站点。航拍照片拍摄于2018年5月，当时沼泽的平均水位还没有下降。

　　干旱年沼泽地间的甲烷排放量和水位动态相似(图2)。2018年4月，Hütelmoor和Zarnekow的水位分别在地表以上0.6 m和0.8 m处(图2c和d)。水位从5月开始稳步下降，并在7月底/8月初达到地表水位。此时，两个沼泽区的

　　排放都达到了0.90(Hütelmoor)和0.87(Zarnekow) gm

　　仅在比较干旱影响最显著的2018年9月至12月的时段时(图2)，干旱年的甲烷通量率与所有其他年份都不同(

　　排放量显著低于2015年和2016年博鱼体育，在Zarnekow没有统计学显著差异。甲烷通量与降水或水位无关，但有明显的温度指数响应(图3)，在干旱期间和之后减弱。2018年9月至12月（即干旱期间和干旱之后的时间段）的相关系数较低(图3)。

　　在干旱期间，Zarnekow的基于16S rRNA基因拷贝数的总微生物丰度在1.8×10

　　=0.03），但在Hütelmoor干旱年与非干旱年的总微生物丰度没有显著差异（表1）。基于

　　=0.15)。Zarnekow的干子站点中的甲烷氧化菌丰度显著高于湿子站点（

　　根据NMDS排序，基于16S rRNA基因测序的细菌群落组成在干旱年和非干旱年不同的沼泽中存在差异(图4)。在干旱年，Zarnekow的细菌群落组成与非干旱年不同。在Hütelmoor中，干旱年和非干旱年表层样品的细菌群落组成明显不同，但深层样品之间存在一定的相似性。群落格局分化不一致，Zarnekow的群落组成发散，Hütelmoor的群落组成明显收敛。可以预期，干旱和非干旱年表层样品的群落组成差异最大。两个时间点的古菌群落组成在不同的沼泽中也有所不同(图4)。干旱后Hütelmoor的群落组成明显收敛，但干/湿子站点和时间点之间的总体差异很小。在Zarnekow，干旱期间的古菌群落组成与非干旱年份明显不同。值得注意的是，干旱期间，放线菌门(Actinobacteria)和厚壁菌门(Firmicutes)的相对丰度在两个沼泽中都较高。

　　图5. 气泡图显示了非干旱(a)和干旱年(b和c)的好氧甲烷氧化菌(蓝色)、产甲烷菌(红色)和ANME(橙色)的相对丰度。图a和b分别由非干旱年和干旱年的DNA序列构建，而图c仅由干旱年的cDNA序列构建。好氧甲烷氧化菌的丰度相对于总细菌群落，而产甲烷菌和ANME的丰度相对于总古菌群落。测序数据显示的是科水平。除产甲烷菌和甲烷氧化菌外，可能属于所示组的其他类群不在此图中。

　　在干旱年份，产甲烷菌和Crenarchaeota仍然是最丰富的古菌群落。在DNA的基础上，在干旱期间，基于DNA的古菌群落中Methanosaetaceae占23-97%，这与非干旱年测定的相对丰度相似(图5a和b)。古菌群落主要为Methanosaetaceae (

　　/甲酸盐的Methanoregulaceae和氢营养型Methanomassilicoccaceae，这也反映在活跃的群落剖面中(图5c)。在基于DNA的群落剖面中检测到的类群并不总是在类似深度的活跃群落剖面中检测到(细菌和古菌皆是如此)，这表明存在非活性微生物(图5a-c)。

　　脉冲式排放，这与泥炭地的水位下降有关，可能是由于静水压力降低导致的脱气或与热浪相关的泥炭温度增高，因为只要沼泽泥炭是湿润的，变暖会显著增加CH

　　排放与温度密切相关，但与水位和降水无关(图3)。一旦水位降至泥炭地表以下，CH

　　排放与温度发生解耦，如计算出的相关系数所示(图3)。这可能是由于其他组合因素在调节调查地CH

　　排放方面的重要性日益增加，例如水位下降时扩散速率增加而导致的氧气入侵，以及微生物群落动态的变化。

　　排放量仍然较低(图2)，且9-12月的排放量明显低于前3年，标志着排水的生物地球化学遗产。这可以用干旱导致的

　　。有了这些(和其他)替代电子受体，各种其他微生物可能会在底物方面胜过产甲烷菌，从而有效地抑制甲烷产生。在Hütelmoor，与2015年和2016年相比，与干旱相关的CH

　　预算的变化(例如，区域预算)。然而，正如我们两个研究站点的对比结果所强调的那样，需要对来自不同站点的数据进行汇编以进行区域或全球预测。

　　排放量已经降至近期的最低水平，而站点的变化在地球化学数据中也很明显。在干旱期间，我们测量到(主要在干子站点)溶解CH

　　特征，如在干子站点或干旱期间观察到(2个例外，表1)，而在潮湿条件下观察到，通过产甲烷途径产生的CO

　　的贡献。然而，地球化学数据显示出氧化还原条件和相关的主要代谢途径发生了变化，并强调了干旱条件下氧化程度更高的立地条件。这得到了我们的分类数据集的支持，该数据集显示了好氧细菌占主导地位的转变。此外，干旱期间Actinobacteria和Firmicutes的相对丰度更高。对草和水稻根系相关微生物群的研究也注意到，在试验性干旱处理后，这些群体的相对丰度有所增加。

　　尽管在干旱期间Zarnekow的平均水位下降没有那么显著(图2)，但我们得出结论，干旱引起的水位下降是本研究中观察到的模式的主要原因。非干旱年9月（干旱年采样时间）平均水位达到或高于泥炭地表。在干旱年，水位一直低于地表直至深秋。与前几年相比，干旱年份的热浪可能加剧了水位下降的影响，因为观察到泥炭表面普遍干燥。对同一地点的另一项研究表明，两个沼泽地的水位下降对已建立的植被造成了胁迫，并导致植被组成和大气碳交换的变化。干旱年两个沼泽地CH

　　排放轨迹(图2)、孔隙水地球化学(表1)以及微生物群落组成方面的相似性进一步支持了水位下降导致观察到的模式的结论博鱼体育。

　　干旱年和非干旱年之间基因丰度和微生物群落结构的差异具有地点特异性。由于平均水位的降低和潜在的氧化应激，我们预计，两个沼泽中的产甲烷菌的总丰度都较低，正如之前对沼泽泥炭的研究所记录的那样。在本研究中，干旱后的河岸沼泽(Zarnekow)的总产甲烷菌丰度显著低于非干旱年，而海滨沼泽(Hütelmoor)的总产甲烷菌丰度无显著差异。海滨沼泽甲烷氧化菌丰度显著高于河岸沼泽，而海滨沼泽的甲烷氧化菌丰度仅在干子站点较高。这可能是由于沼泽不同的立地条件，不同的初始微生物群落组成和/或其内部微生物群落的胁迫历史。Kim等人发现，短期干旱处理降低了沼泽中的产甲烷菌丰度，但不会降低泥炭中的产甲烷菌丰度博鱼体育。基于这些和其他证据，他们得出结论，不同泥炭地类型的不同微生物群落对干旱的反应不同，其他研究也得出了同样的结论。

　　环境胁迫史在塑造微生物群落方面很重要，因为胁迫会选择能够抵御干扰的分类群。虽然本研究中的两个沼泽在历史上都是由于农业用途而排干的，但Hütelmoor中的微生物群落经历了与历史上海水入侵相关的盐度和水位波动，可能会更好地适应环境胁迫。Baumann＆Marschner认为，耐受盐胁迫的微生物可能更耐干旱，尽管该研究没有专门检测CH

　　循环微生物。总体而言，这些结果表明，一个月的自然干旱会改变产甲烷菌和甲烷氧化菌的总丰度，并支持了之前的研究，即不同泥炭地的丰度模式可能不同。

　　排序分析进一步说明了不同泥炭地微生物群落动态模式的差异。正如之前的研究中经常报道的那样，不同沼泽的微生物群落组成不同。本研究中，无论是干旱年还是非干旱年皆是如此。除了一些较深层的样本有一定的重叠以及Hütelmoor中的古菌群落外，干旱条件下的细菌和古菌群落组成(包括干/湿子站点)与淹没条件下的群落组成不同(图4)。基于这一点和qPCR结果，Zarnekow的古菌群落似乎比Hütelmoor的古菌群落受干旱的影响更强烈。这与一些长期研究一致，这些研究表明干旱将改变细菌和古菌群落组成。其他研究表明，古菌群落的组成在短期和长期内可能更能抵御变暖和/或干旱的影响。虽然干旱年Hütelmoor古菌群落组成有较强的收敛性，但不同时间点的多边形之间几乎没有分离(图4b)，表明群落组成变化较小。值得注意的是，虽然产甲烷菌和甲烷氧化菌丰度和整体微生物群落组成的变化在不同的沼泽中有所不同，但CH

　　的排放动态基本一致，这意味着微生物种群间功能冗余。Peltoniemi等人(2016)报告了类似的观察结果，他们发现，尽管微生物对排放的控制模式不同，但在升温和干旱处理下，两个沼泽的CH

　　根据16S rRNA基因测序，I型好氧甲烷氧化菌的相对丰度增加，特别是Methylomonaceae，在两种沼泽中都都显著增加(图5a和b)。在Hütelmoor，非干旱年几乎检测不到I型甲烷氧化菌(图5)。此前，人们认为，II型甲烷氧化菌可能更能抵御干旱胁迫，因为它形成了能抗干旱的孢子。然而，最近的研究表明博鱼体育，I型甲烷氧化菌对环境胁迫具有出乎意料的抵御能力，并对温度和水资源可用量的波动作出响应，而II型甲烷氧化菌种群虽然普遍存在，但相对稳定，相比之下种群大小不会发生显著变化。据我们所知，Peltoniemi等人第一次提供了原位沼泽证据，他们发现升温和干旱处理会改变I型甲烷氧化菌的丰度，而深度是II型甲烷氧化菌的唯一控制因素。同样，在我们的研究中，II型甲烷氧化菌的分布和相对丰度在干旱年和非干旱年之间几乎没有差异。

　　这项研究首次提供了来自自然干旱的原位证据，表明I型甲烷氧化菌相对适应温度和水资源可用量的变化，这为早期的实验工作提供了支持。通过cDNA测序证实了I型甲烷氧化菌在干旱期间的优势。Methylomonaceae科的I型甲烷氧化菌cDNA转录本相对含量最高(图5)博鱼体育，是最丰富的细菌菌群之一。因此，在受自然干旱影响的恢复温带沼泽中，I型甲烷氧化菌可能代表了控制CH

　　Methylomirabilis (细菌)在相同深度的基于DNA和cDNA的群落中均被检测到。有趣的是，有趣的是，在20-30 cm和40-50 cm的深度测量到了最高的d

　　减排的决定性证据，但它们似乎在深层活跃，可能是更深层泥炭中额外产生的CH

　　氧化有关，而稻田土壤通常具有低氮有效性。排水过程中数十年的农业使用(因此增加了氮有效性)可能促进了这些生物在沼泽中的建立，ANME在沼泽中的作用值得进一步研究。对不同泥炭地类型的体外研究表明，ANME可能能够氧化产生的大部分CH

　　排放的减少与孔隙水化学和微生物群落动态的多重实质性变化有关，且某些微生物群落动态的变化可能具有地点特异性。在河岸沼泽(Zarnekow)，部分地区产甲烷菌总丰度下降，甲烷氧化菌丰度增加，而在海滨沼泽(Hütelmoor)，只有甲烷氧化菌总丰度增加。因此，受自然干旱影响而恢复沼泽的CH

　　排放减少，至少部分是产甲烷菌和甲烷氧化菌的不同控制模式的结果。然而，在两个沼泽中都记录了甲烷氧化菌相对丰度的大幅增加，在两个沼泽中，甲烷氧化菌的相对丰度都有较大的增加，特别是I型甲烷氧化菌。我们首次提供了来自自然干旱的原位证据，表明在经历干旱影响时，I型甲烷氧化菌比II型甲烷氧化菌更具适应性。在经历自然干旱的温带沼泽中，I型甲烷氧化菌的丰度似乎是控制CH