前言

2021年6月，佛羅里達州立大學(xué)Rachel M. Wilson教授課題組在PNAS期刊發(fā)表的題為 “Soil metabolome response to whole-ecosystem warming at the Spruce and Peatland Responses under Changing Environments experiment ”的研究成果，通過代謝組學(xué)、蛋白組學(xué)、脂質(zhì)組學(xué)研究方法，發(fā)現(xiàn)變暖的環(huán)境加劇了土壤有機質(zhì)的降解，增加了溫室氣體的產(chǎn)生。揭示了氣候變暖對生態(tài)環(huán)境的影響。

中文標(biāo)題：云杉和泥炭地土壤代謝組對全生態(tài)系統(tǒng)變暖的響應(yīng)

研究對象：生態(tài)環(huán)境

發(fā)表期刊：PNAS

影響因子：11.205

發(fā)表時間：2021 年6月14日

發(fā)表單位：佛羅里達州立大學(xué)，亞利桑那大學(xué)，喬治亞理工學(xué)院生物科學(xué)學(xué)院，橡樹嶺國家實驗室生物科學(xué)部，施密德科技學(xué)院

運用生物技術(shù)：代謝組學(xué)、蛋白組學(xué)、脂質(zhì)組學(xué)

研究背景

泥炭地中土壤有機質(zhì)(OM)占全球的三分之一左右，在泥炭地沉積后，微生物介導(dǎo)土壤有機質(zhì)分解為CO和CH。由于CH比CO2具有更大的全球變暖潛力，泥炭地對氣候的凈增溫或凈降溫作用取決于初級生產(chǎn)者對CO2的吸收和異養(yǎng)呼吸對CO和CH的排放之間的平衡。氣候變暖及其導(dǎo)致的生態(tài)系統(tǒng)響應(yīng)，包括地下水位下降和植被群落組成、生產(chǎn)速率和組成的變化，影響OM分解以及CO2和CH的相對產(chǎn)量。泥炭地分析的許多證據(jù)表明，溶解的OM (DOM)比固體泥炭含有更重要的甲烷生成基質(zhì)。因此，增加表層DOM輸入量可以增加深層CH產(chǎn)量?？捎糜诜纸獾腛M的質(zhì)量，也可能影響CH產(chǎn)生的速率和途徑。環(huán)境變化下云杉和泥炭地的響應(yīng)實驗?zāi)軌蛑笇?dǎo)我們研究整個生態(tài)系統(tǒng)變暖開始以來介導(dǎo)CO2和CH產(chǎn)生速率的機制。

研究思路

研究結(jié)果

地球化學(xué)結(jié)果

根據(jù)溶解的CO和CH濃度和穩(wěn)定同位素的結(jié)合分析發(fā)現(xiàn)。在所有深度中，孔隙水CO濃度隨溫度(受季節(jié)和溫度處理控制)顯著增加(P值如圖1A所示)。僅在10厘米和25厘米深度，甲烷濃度隨溫度升高而顯著增加(圖1B)。然而，在使用穩(wěn)定的基于同位素的模型修正了泥炭中CO和CH的差異輸運后，CO:CH比值顯示在25、50和75 cm深度隨著變暖而顯著下降(圖1D)。alphaC表明，產(chǎn)甲烷途徑隨溫度沒有顯著變化(圖1C)。

圖1 | 所有季節(jié)Porewater CO和CH濃度(A和B)、alphaC (C)和CO：CH比值(D)與每個圍欄的測量溫度(在泥炭表面以下50厘米)圖。不同的顏色表示不同的深度。線條表示每個深度的顯著回歸；顯著回歸的r和P值顯示在每個面板中。

代謝物結(jié)果

FTICR-MS 結(jié)果。通過FTICR-MS分析，在所有SPRUCE處理和深度的DOM中發(fā)現(xiàn)了67,040種獨特的化合物(SI附錄，圖S2)。在5個及以上土壤表層(25 cm深度)中鑒定出的7,985種化合物中，3,162種與溫度呈正相關(guān)，2,553種與溫度負相關(guān)，2,270種與溫度無顯著相關(guān)(0.10< p<+ 0.10；SI附錄，圖S2)。在此分析中，與溫度負相關(guān)的化合物在高溫下消失或被消耗，而與溫度正相關(guān)的化合物在高溫下出現(xiàn)或產(chǎn)生。隨著溫度升高的化合物主要是木質(zhì)素和其他類酚類化合物。隨著氣候變暖而減少的化合物主要是碳水化合物、多肽和低O：C比的化合物。微生物相關(guān)的代謝物，如蛋白和脂類化合物，隨著溫度的下降而下降。碳水化合物也隨著溫度的升高而減少，而其他碳氫化合物則隨著溫度的升高而增加。

地表泥炭DOM的平均NOSC隨溫度的升高顯著下降，與分解增強期間的預(yù)期結(jié)果一致(P = 0.0031；圖2)。DOM NOSC的下降表明，殘余DOM在較高溫度下比在較低溫度下分解得更多。此外，簡單的電子平衡表明，較低氧化態(tài)OM的分解將越來越有利于CH生成，而不是CO生成，這與作者對CO：CH比值的測量結(jié)果一致(圖1)。

圖2 | 表面 FTICR-MS 鑒定的化合物中的平均碳標(biāo)稱氧化態(tài)隨著每個范圍中的泥炭溫度而下降（在泥炭表面以下 50 厘米處測量）。r和P值表示隨溫度的回歸結(jié)果（實線 ±95% CI，虛線）。符號顏色表示不同的采樣月份；形狀表示深度。

NMR結(jié)果：NMR共檢測到27個參與中心碳代謝的化合物，其中，13個濃度足以進行量化。幾種化合物僅在15cm處存在，但在45和87cm處不存在（SI附錄，表S6），因此作者將關(guān)注點聚焦于表面濃度隨溫度的變化。

GC-MS代謝組學(xué)結(jié)果：通過GC-MS代謝組學(xué)觀察到 92種化合物，其中，49種與數(shù)據(jù)庫中可用的化合物相匹配，包括重要的發(fā)酵代謝物，如葡萄糖、丙酮酸、琥珀酸和幾種 (n=10) 初級氨基酸。NMR也觀察到了七種已鑒定的化合物。通過 GC-MS 測量，表面（15 厘米）SOM 中的糖和氨基酸濃度隨溫度處理而變化，隨著溫度的升高，通常趨向于更高的糖濃度和更低的游離氨基酸濃度（圖 3）。谷氨酰胺在氨基酸中是一個明顯的例外，在濃度與溫度處理中觀察到了積極的趨勢（圖 3）。此外，與植物應(yīng)激反應(yīng)相關(guān)的化合物（油酸、肌醇、半乳糖醇和 4-羥基-3-甲氧基苯甲酸）隨溫度升高而增加（SI 附錄，圖 S5）。

脂質(zhì)組學(xué)結(jié)果：在三個脂質(zhì)類別和13個亞類中觀察到總共 209 種獨特的脂質(zhì)，包括異構(gòu)體（SI 附錄）。在甘油磷脂中確定的主要類別包括甘油磷酸 (PA)、甘油磷酸膽堿 (PC)、甘油磷酸乙醇胺 (PE) 和甘油磷酸甘油 (PG)。在甘油脂中，作者鑒定了雙半乳糖二?；视?(DGDGs)、二?；视腿；视?(DGs) 和其他甘油脂 (DGTSA)。還鑒定了鞘脂類中的神經(jīng)酰胺（Cers）。

宏蛋白質(zhì)組學(xué)結(jié)果：泥炭提取物中的總酶計數(shù)顯示隨著深度的增加而迅速下降（SI 附錄，圖 S6），大約 90% 的酶僅在最淺的深度（15 cm）中發(fā)現(xiàn)?？偯赣嫈?shù)沒有隨溫度的明顯變化（t檢驗，P > 0.05；SI 附錄，圖 S6）。通過回歸分析，只有35種酶與溫度顯著相關(guān)（P < 0.05；SI 附錄，表 S7）。蛋白酶是與溫度正相關(guān)最強的酶之一，氧化還原酶和一些水解酶屬于與溫度負相關(guān)的酶。

圖3 | 2016 年 8 月從地表泥炭（15cm）收集的泥炭提取物中通過 GC-MS 鑒定的糖和氨基酸與給定溫度處理的平均測量泥炭溫度（50 cm）對比。

代謝組學(xué)結(jié)果

聯(lián)合代謝物與宏蛋白質(zhì)組學(xué)數(shù)據(jù)的多因素統(tǒng)計分析。綜合蛋白質(zhì)組學(xué)、FTICR-MS、NMR、GC-MS靶向代謝組學(xué)和脂質(zhì)組學(xué)數(shù)據(jù)的 PCA 顯示土壤深度是樣品間變異的主要驅(qū)動因素，占總37%（圖 4）。SPRUCE 的先前研究同樣發(fā)現(xiàn)深度是 DOM 的有機化學(xué)和微生物群落組成變化的主要驅(qū)動力。

表面泥炭與纈氨酸、亮氨酸和異亮氨酸濃度呈正相關(guān)（圖 3），還與支鏈氨基酸轉(zhuǎn)運系統(tǒng)底物結(jié)合蛋白和催化生產(chǎn)第一步的乙酰乳酸合酶的計數(shù)呈正相。與表面泥炭樣品相關(guān)的葡萄糖代謝中的一種重要酶是磷酸果糖激酶。甜菜堿脂質(zhì)（DGTSAs；二?；视突?N、N、N-三甲基高絲氨酸和二?；视突u甲基-N、N、N-三甲基-β-丙氨酸）存在于地衣、真菌和苔蘚中，但不存在于開花植物中，也與表面樣品有關(guān)。相比之下，許多蠟質(zhì)脂質(zhì)真核細胞 Cers 與更深的樣本更相關(guān)。

雖然幾種酶與 PCA 中溫度處理之間的變化呈正相關(guān)，但這些相關(guān)性并不強。然而，針對 KEGG 搜索作者鑒定的蛋白質(zhì)和代謝物揭示了幾種潛在的微生物途徑。在 γ-氨基丁酸 (GABA) 分流模塊中鑒定了四分之三的化合物，該模塊通過閉環(huán)生產(chǎn)過程保存 GABA。此外，文章還確定了涉及產(chǎn)甲烷的兩個主要途徑（圖 5）、破乙酸和氫營養(yǎng)的許多步驟。同時，文章確定了幾種參與甲基營養(yǎng)產(chǎn)甲烷的中間體和蛋白質(zhì)（圖 5），這是一個較少研究的泥炭地CH生產(chǎn)途徑。

圖4 | 綜合地球化學(xué)數(shù)據(jù)（FTICR-MS、GC-MS、NMR、LC-MS 和蛋白質(zhì)組學(xué)）的 PCA。符號顏色表示溫度處理；形狀表示樣本深度。

圖5 | 將化合物和酶與 KEGG 模塊數(shù)據(jù)庫匹配的結(jié)果。

相關(guān)討論

溶解孔隙水的CO濃度隨溫度在所有深度顯著增加，表明整個泥炭剖面的異養(yǎng)呼吸速率增加（圖1A）?？紫端?CH濃度也隨著變暖而顯著增加，但僅在表層泥炭（10 至 25 cm）中（圖 1 B）。CH隨溫度變暖的濃度與之前在地表泥炭中觀察到的核心產(chǎn)甲烷基因豐度的變化是一致的。雖然 CO和 CH濃度都增加了，但兩種氣體之間的差異響應(yīng)導(dǎo)致 CO：CH比率隨著在 25 至 75 厘米深度隨著溫度變暖而下降（圖 1 D），這表明 CH對溫度變化更敏感。

研究結(jié)論

在整個泥炭柱中，與C. methanoflorens具有高度序列同一性的產(chǎn)甲烷菌 ASV 和 MAG占主導(dǎo)地位，并在 40 至 50 厘米深度處相對豐度達到峰值。甲烷桿菌科成員是代謝最多的產(chǎn)甲烷菌群之一，在地表 10 至 20 厘米深度處顯示出最高的相對豐度，在更深處幾乎不存在。Methanoregulaceae 、Methanomicrobaceae和Methanomethyliaceae的成員在 100 厘米深度以下以檢測到較低的相對豐度。Methanomethyliaceae是已知的甲基營養(yǎng)菌，從甲基化底物產(chǎn)生CH。泥炭剖面內(nèi)的深度是地球化學(xué)變化的最大驅(qū)動因素，總體趨勢為植物衍生代謝物和單糖隨著變暖而增加，而微生物生物合成的底物通常隨著變暖而減少。

小鹿推薦

全球變暖會促進泥炭地中土壤碳的分解，進而影響氣候變化。作者用一套環(huán)境地球化學(xué)分析和一組變化環(huán)境下云杉和泥炭地響應(yīng) (SPRUCE) 的實驗，證實了隨著溫度的變暖，泥炭地植被中維管植物的覆蓋率和甲烷產(chǎn)生的條件增加，加之泥炭地的響應(yīng)，這將會促進溫度的變化。

歡迎百度搜索鹿明生物——訪問鹿明生物官網(wǎng)——了解代謝組學(xué)、蛋白組學(xué)、脂質(zhì)組學(xué)技術(shù)

猜你還想看

1、項目文章 | 重慶醫(yī)科大學(xué)二附醫(yī)院周智航團隊多組學(xué)揭示代謝重編程介導(dǎo)的胰腺導(dǎo)管腺癌轉(zhuǎn)移新機制

2、FOOD RES INT | 16S+LC-MS代謝組學(xué)助力分析發(fā)酵飲料ogi中細菌菌群和真菌毒素

3、ACTA PHARM SIN B | 利用基于質(zhì)譜成像的空間分辨代謝組學(xué)揭示糖尿病腎病中具有組織異質(zhì)性的代謝重編程

4、FRONT NUTR | 16S+代謝組學(xué)探究不同直鏈淀粉/支鏈淀粉比例改善山羊的盲腸環(huán)境

本文系鹿明生物原創(chuàng)