Nature communication | 不同微生物进化枝缓解盐胁迫下碳限制的生态进化策略不同

题目：

Ruirui Chen^{1, 2}, Emily B. Graham^{3, 4}

1. College of Chemical Engineering, Nanjing Forestry University, Nanjing, 210037, China

2. State Key Laboratory of Soil and Sustainable Agriculture, Institute of Soil Science, Chinese Academy of Sciences, Nanjing, 210008, China

3. Earth and Biological Sciences Directorate, Pacific Northwest National Laboratory, P.O. Box 999, Richland, WA, 99352, USA

4. School of Biological Sciences, Washington State University, P.O. Box 645910, Pullman, WA, 99164, USA

随着气候变化下盐渍土的不断扩张，了解盐渍土中微生物缓解碳限制与维持功能性状之间的生态进化权衡代表着预测未来土壤健康和生态功能方面的重大知识空白。通过沿盐度梯度对沿海土壤进行散弹枪宏基因组测序，本研究展示了土壤细菌和古菌的对比生态进化方向，这些方向表现为基因组大小的变化和土壤微生物组的功能潜力。在高碳需求的盐环境中，细菌表现出与代谢基因消耗相关的基因组大小减小，而古菌则表现出增加了基因组，并富集了抗盐、代谢和碳获取基因。这表明，细菌在面临盐胁迫时通过精简其基因组来节省能量，而古菌则投资于拓宽其资源利用的碳获取途径。这些发现表明微生物进化枝对土壤盐分胁迫的生态进化适应存在不同方向，为理解土壤微生物组对不断升级的气候变化的反应奠定了基础。

图 1：沿土壤盐分梯度的分类演替

a各响应组的相对丰度。b – e各响应组的绝对丰度。P值通过双侧最小二乘线性回归计算（P < 0.05 表示显著相关）。缩写：EC，电导率。

图 2：每个反应组的系统发育分布和基因组大小

a系统发育分布。b细菌/古细菌反应组的基因组大小比较（ neg-bac 组n = 194；  pos-bac 组n = 196；  neg-arch 组n = 44；  pos-arch 组n = 47） 。c两个细菌反应组中变形菌内的基因组大小比较（ neg-bac 组n = 69；  pos-bac 组n = 112）。 d所有广古菌和奇古菌以及已发表文献中发现的耐盐古菌中对盐度做出正反应和负反应的古菌类群基因组大小的频率分布和比较（ 所有奇古菌类群组n = 1369； 所有广古菌类群组n = 5389； 调查类群组n = 1603； 负向反应组n = 44；正向反应组n  = 47）。系统发育树中的饼图表示四个反应组中相邻门类群的分布。箱线图表示中位数（中线）、25%、75% 百分位数（箱线）和 5 ^%和 95 ^%百分位数（须线）。使用非配对双侧 Mann–Whitney U检验对 ( b、c和d )中的差异进行检验，置信区间为 95%。( c ) 和 ( d )中的虚线表示数据集的中位数。*** P  < 0.001

图4：细菌和古细菌盐度响应组中抗盐基因的差异。

a与抗盐性相关的KO丰度（按分类单元丰度标准化，neg  -bac 和 pos-bac 组n = 200；  neg-arch 和 pos-arch 组n = 50）。b - e用 UpSet 图可视化每个响应组中包含每种抗盐机制的分类单元的分布频率。箱线图表示中位数（中间线）、25%、75% 百分位数（箱线）和 5% 和 95% 百分位数（须线）。使用非配对双侧 Mann-Whitney U检验和 95% 置信区间检验（ a ）中的差异。黑条表示具有相应机制的分类单元的数量。黑点表示每个组中具有独特（一个点）或共享（≥两个点）机制的分类单元的数量。

盐作为微生物的强大环境过滤器，显著构建了微生物群落，并似乎导致细菌和古菌微生物产生不同的生态进化策略。选择在古菌中似乎尤为强烈——所有 50 种耐盐古菌都属于广古菌门，而几乎所有对盐敏感的古菌都是奇古菌门（图 2a）。我们假设土壤微生物群落结构的这些变化主要与基因组精简有关，但一些微生物进化枝能够保持稳定的基因组大小和多种潜在功能以应对压力。我们进一步假设，由于古菌群落的平均基因组大小比细菌小，它们可能不太可能经历基因组精简。随着土壤盐分随着气候变化而增加，了解微生物对盐胁迫的适应对于预测未来土壤的生物地球化学功能至关重要。

高盐土壤中细菌基因组大小的减小

细菌基因组大小随盐度的变化与基因组精简作为一种生态进化策略相一致。耐盐细菌的基因组大小较小，以及盐度梯度的细菌类群中功能基因较少，共同证明了基因丢失（图 3a和图 S8a ）。我们认为这可能是细菌对压力的常见生态进化反应。例如，一项基于 260 种嗜酸菌基因组大小的荟萃分析报告称，嗜酸乳杆菌的基因组大小明显小于生活在中性 pH 环境中的最近谱系。据报道，基因间区域的缺失是导致基因组大小减小的原因，这无法从我们的数据中确定。然而，在这项研究中，KO 总体丰度的变化与基因组大小一致，强烈表明蛋白质编码基因丢失导致基因组减少的模式（图 3a）。

基因丢失在细菌中似乎具有选择性，因为经历基因丢失的60% 以上的 KEGG 通路与代谢有关（图 3c）。这些稀释的代谢途径包括碳水化合物代谢、氨基酸代谢和辅因子/维生素代谢（图 3c和图 S8c ），它们与细菌生长密切相关。这一结果表明，在适应极端环境和牺牲生长之间进行权衡。在基因组精简过程中，功能冗余基因也会不成比例地丢失。在本研究中，基因组较小的耐盐细菌比盐敏感细菌具有较低的 C 获取和抗盐机制多样性（图 4b、c、5c和d）。这与以前的研究报告一致，即低 pH、高温、干旱和盐等环境压力导致功能冗余基因的丢失。尤其是耐盐细菌在合成有机渗透溶质时更倾向于牺牲其耐盐机制（图 4 b、c）。这是因为有机溶质的合成是一种非常耗能的应激机制，可导致生长产量（即每代谢一克碳所产生的生物量）减少约 90%。

尽管基因组精简是耐盐细菌的总体策略，但我们发现一些基因在耐盐细菌中很强大或富集。 其中包括与遗传信息处理相关的基因（图 3b ），这些基因通常被认为是编码基本细胞活动（例如复制、转录和翻译）的核心/管家基因。 此外，抗盐基因在耐盐细菌中富集（例如，Na⁺挤压、K⁺吸收、有机溶质的吸收或合成，图 4a ），这些基因可以将渗透压和细胞生理代谢维持在所需的范围内。甘氨酸、丝氨酸和苏氨酸代谢的 KEGG 途径也得到了富集（图 S8c ），这些途径参与渗透溶质甜菜碱和四氢嘧啶的合成。

盐渍土中古细菌基因组大小增加

有趣的是，我们的研究结果显示，耐盐古菌的基因组大小显著大于耐盐古菌（图 2），这表明其生态进化策略可能与细菌完全不同。本研究和文献中耐盐古菌的平均基因组大小均显著高于整个 广古菌门（图2d）。据我们所知，这是首次报道古菌基因组在环境压力下增大。

耐盐古菌基因组的扩大伴随着功能性状的增加（图 3a）。虽然预期会观察到抗盐基因的增加（图 4），但我们也在广泛分布的 KEGG 通路中鉴定了富集基因（图 3b、c）。基因富集尤其集中在与细胞代谢相关的基因中。在 BRITE 层次结构第 3 级，包括碳水化合物代谢、氨基酸代谢和脂质代谢在内的 KEGG 通路在耐盐古菌中富集（图 3c）。此外，耐盐古菌中这些代谢途径的丰度以及 DNA 复制沿着盐度梯度显著增加（图 S8c ）。值得注意的是，耐盐细菌中的这些基因比盐敏感细菌中的低得多（图 S8c ），支持古菌和细菌对盐度的不同适应。总的来说，耐盐古菌中富集的代谢基因表明盐度可能不会阻碍它们的生长，这与耐盐细菌的基因组策略形成鲜明对比。

耐盐古菌的基因组适应性可能解释了为什么耐盐古菌在高盐分土壤中似乎比耐盐细菌更具竞争力。耐盐古菌往往比耐盐细菌具有更全面的代谢机制（图 5c、d），这可能在资源获取和种群增殖方面具有优势。抗生素敏感性实验支持了快速生长可以抵消抗生素压力从而推动群落转变的观点44。其次，与基因组精简相比，具有大型基因组的古菌似乎包含功能冗余，这意味着它们不太依赖跨物种相互作用来生存45。物种间频繁的相互作用在某些情况下可能对群落稳定性有害46，因为相互作用中任何一个环节的断裂都可能导致整个群落的崩溃。耐盐古菌保留基因组大小和功能冗余作为一种优于基因组精简的替代进化策略，对于理解微生物种群面对环境变化的适应能力具有重要意义。

耐盐细菌和古菌的碳获取策略不同

碳作为微生物组成和能量供应的核心要素，在微生物生长和抗逆性中起着重要作用35，36。抗盐机制也是能量（C）密集型的9 ，尤其是渗透溶质的合成35，47 。我们的研究结果表明，耐盐细菌和耐盐古菌均比盐敏感细菌和古菌含有更高比例的碳获取基因（图 5a），这可能表明在盐胁迫下对碳获取的投入增加。这证明耐盐分类群（无论是细菌还是古菌）增加了碳需求，因为它们比盐敏感分类群编码了更多的抗盐基因（图 4a）。

尽管在盐胁迫下细菌对碳的需求普遍增加，但细菌和古菌基因组大小和基因含量的不同模式表明，它们在碳获取和利用方面具有不同的生态进化方向。耐盐细菌基因组大小的减少（图 2b）和功能基因含量的降低（图 3a）可能与较低的碳和能量消耗有关。我们发现，与盐敏感细菌相比，耐盐细菌的碳获取能力并没有显著提高，碳获取的绝对基因丰度就是明证（图 5b）。因此，我们提出，耐盐细菌通过采取符合BQH（基因组精简）15的策略，节省能量消耗来缓解碳对生长的限制。相比之下，耐盐古菌具有最高的碳获取基因丰度（图 5b），并且整体上包含更全面的碳获取机制（图 5c和 d）。这可能使古菌能够满足其碳供应需求，支持抗盐胁迫机制和维持扩大的基因组。因此，我们提出耐盐古菌通过增加对碳获取基因的投资来缓解碳限制，这与 RQH 一致，与细菌生活方式形成鲜明对比。

总之，我们的研究结果表明，土壤细菌和古菌在盐度增加时呈现出截然不同的进化方向。细菌似乎采用了基因组精简策略，这表现为在盐胁迫下，基因组较小，功能基因丰富度降低。然而，古菌在盐胁迫下保持基因组大小并增加功能复杂性。此外，与碳获取相关的基因在耐盐古菌中富集，表明它们在盐胁迫下仍保持较高的碳获取潜力。这些结果表明，耐盐细菌似乎通过基因组精简来节省能源消耗，而耐盐古菌则通过增加碳获取能力来扩大其资源利用。不同的进化策略反过来可能会改变细菌和古菌之间的种群相互作用和群落演替。这一发现拓宽了我们对生态进化适应环境压力的理解，并为理解土壤微生物群落对气候变化加剧导致的盐渍化的反应奠定了基础。