中大新聞網(wǎng)訊（通訊員李文均）微生物（細(xì)菌和古細(xì)等）是全球生物地球化學(xué)循環(huán)的重要驅(qū)動(dòng)者。闡明微生物生物地理分布及其驅(qū)動(dòng)過(guò)程對(duì)于預(yù)測(cè)環(huán)境變化將如何影響生物地球化學(xué)循環(huán)非常重要。以往微生物生物地理學(xué)的研究常常聚焦在物種的層面。然而，越來(lái)越多的研究表明，由于微生物群落固有的功能冗余性，微生物群落的功能變化通常與其物種組成變化是解耦的，并且相比物種結(jié)構(gòu)，功能結(jié)構(gòu)與環(huán)境變化和生態(tài)系統(tǒng)功能的關(guān)系更加密切。因此直接研究微生物功能基因的生物地理分布對(duì)于更好地了解環(huán)境變化對(duì)生物地球化學(xué)循環(huán)的潛在影響是十分必要的。
氮循環(huán)是地球上最重要的生物地球化學(xué)過(guò)程之一。自然界中，氮可以以多種價(jià)態(tài)（-3到+5）存在，不同價(jià)態(tài)之間的轉(zhuǎn)換主要是由微生物所驅(qū)動(dòng)。目前我們對(duì)微生物氮循環(huán)功能基因的生物地理分布還缺乏足夠的認(rèn)識(shí)，這一定程度上阻礙了對(duì)自然界氮循環(huán)的系統(tǒng)性理解。
近期，中山大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院李文均教授團(tuán)隊(duì)以珠江口沉積物為研究系統(tǒng)（圖1），利用宏基因組學(xué)技術(shù)和生物信息學(xué)分析揭示了關(guān)鍵氮循環(huán)功能基因的多樣性和豐度在珠江河口的生物地理分布特征。
圖1. 采樣點(diǎn)分布圖
研究發(fā)現(xiàn)在珠江河口沉積物中參與反硝化和硝酸鹽異化還原為銨途徑的功能基因比參與其他過(guò)程（即固氮、硝化、同化亞硝酸鹽還原）的基因具有更高的多樣性（圖2）。
圖2. 氮循環(huán)功能基因的多樣性及其空間分布
此外，參與相同通路（如反硝化作用）的氮循環(huán)功能基因?qū)Νh(huán)境變化的響應(yīng)不一致（圖3），并且參與不同氮循環(huán)步驟的主要類(lèi)群也不相同（圖4），這一定程度上解釋了為什么單個(gè)功能基因的豐度往往不是特定氮循環(huán)過(guò)程速率的可靠代理。這項(xiàng)研究從生物地理學(xué)的角度擴(kuò)展了我們對(duì)氮循環(huán)過(guò)程的了解。本研究的思路也適用于其它生境，并且隨著宏基因組數(shù)據(jù)的不斷積累，我們最終可以繪制一幅氮循環(huán)功能基因的全球分布圖。這張圖將為我們從生物地理學(xué)的角度理解全球氮循環(huán)提供重要的基礎(chǔ)背景信息。
圖3. 環(huán)境因子在解釋功能基因多樣性（A）和豐度（B）變化中的重要性
圖4. 不同氮循環(huán)功能基因的物種組成
該研究成果以“Biogeographic distributions of nitrogen-cycling functional genes in a subtropical estuary”為題發(fā)表于Functional Ecology期刊。中山大學(xué)生態(tài)學(xué)院博士后王攀登和生命科學(xué)學(xué)院博士后李佳嶺為本論文共同第一作者，李文均教授為獨(dú)立通訊作者，中山大學(xué)為該成果的第一完成單位。該研究工作得到博士后面上基金（2020M683029, 2018M643294）、南方海洋科學(xué)與工程廣東省實(shí)驗(yàn)室（珠海）創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目（311020003, 311020005）、中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專(zhuān)項(xiàng)資金（2021qntd18）和廣東省基礎(chǔ)與應(yīng)用基礎(chǔ)研究基金（2020A1515011139）的資助。
