第一作者：苏旺红
其他作者：俞巧玲，杨佳玮，韩倩，王思洁，Petr Heděnec，王晓晨，完颜瑞军
通讯作者：李欢 教授（兰州大学）
发表期刊：Journal of Environmental Sciences
影响因子：6.796
Doi：https://doi.org/10.1016/j.jes.2023.06.016
成果简介
近日，兰州大学李欢教授团队在国际著名期刊Journal of Environmental Sciences（IF = 6.796）上发表了题为“Cadaverine and putrescine exposure influence carbon and nitrogen cycling genes in water and sediment of the Yellow River”的研究论文，第一作者为已经毕业的硕士生苏旺红同学，通讯作者为李欢教授。该论文首次报道了动物尸体分解的主要产物—尸胺和腐胺的暴露对黄河水和底泥中碳和氮循环关键基因的调节机理，研究了腐胺和尸胺不同胺类暴露条件（空白对照、尸胺单独暴露、腐胺单独暴露和二者混合暴露）下，碳固定、碳分解和氮循环中关键基因丰度和相关微生物群落的变化，为进一步研究动物尸体导致的胺类污染如何作用于生物地球化学循环提供科学参考。
图1 图形摘要
全文速览
关于动物尸体分解的产物是如何影响生物地球化学循环的相关微生物功能一直是备受关注的问题。然而，与碳（C）和氮（N）循环相关的功能基因对尸胺和腐胺的响应和作用途径尚不清楚。本研究探讨了尸胺和腐胺暴露与C固定、C降解和N循环相关的功能基因的变化及其影响因素。结果表明，只有腐胺暴露会增加底泥中C固定基因的alpha多样性，而降低底泥中N循环基因的alpha多样性。具体而言，对于C循环，尸胺和腐胺二者混合会降低了黄河水中C固定中还原性乙酰辅酶A途径基因（即acsB和acsE）以及C降解中与木质素降解相关的lig基因的总丰度，同时增加底泥C固定过程中羟基丙酸-羟基丁酸酯循环（即accA）基因的丰度。对于氮循环，尸胺和腐胺二者混合暴露降低了黄河水中硝化过程（即amoB）、反硝化过程（即nirS3）相关基因的丰度。此外，环境理化因子（即总碳和总氮）均与碳和氮循环基因丰度呈负相关。以上结果提示尸胺和腐胺暴露可能会抑制C固定和N循环的某些关键基因表达，同时促进C降解。这些发现可为动物尸体造成的胺类污染治理提供新的见解。
前言
动物尸体可以被分解为20%碳和2%-3%氮源，进而参与生物地球化学循环。碳（C）固定包括许多生物化学过程，如卡尔文循环（CO2固定的第一条途径）、二羧酸-4-羟基丁酸循环（Di-4HB循环）、Wood-Ljungdahl途径（WL途径）、还原性三羧酸循环（rTCA循环、3-羟基丙酸-4-羟基丁酸酯循环（3HP-4HB循环）和二羧酸-4-羟基丁酸盐循环（Di-4HB循环）。类似地，氮（N）循环包括许多重要的生物化学过程（如N2固定、硝化和反硝化过程）。研究证实具有各种功能性状的各种微生物往往驱动着碳和氮循环的途径。而同时，C和N循环中功能基因的丰度和多样性也反映了微生物群落的功能特征。然而，以往的研究只关注某一功能基因的变化，很少有研究探讨与尸体污染相关的C和N循环的多个基因的变化和影响因子。
图2 C循环和N循环的主要功能基因
本研究将C循环分为C固定和C降解，而N循环的特征是硝化、反硝化、N固定、厌氧氨氧化、同化和氨化（图1）。结合16S rRNA基因的扩增子测序、高通量定量PCR和理化分析，以空白对照、尸胺单独暴露、腐胺单独暴露和二者混合暴露来设计室内污染暴露实验来探索尸胺和腐胺对C和N循环相关基因的影响（图2）。在这里，我们提出了关于尸胺和腐胺对C和N循环基因影响的两个科学假设：
（1）由于有机质含量的增加，尸胺和腐胺暴露会促进C和N循环相关基因表达。
（2）高浓度的腐胺可以提供强大的化学传感信号，引发环境威胁，从而不利于微生物繁殖。因此，由于环境营养物质的变化，与C和N循环相关的功能基因受到抑制。
主要结果
按照对照、尸胺、腐胺和混合暴露的顺序，黄河水中的C或N循环基因的alpha多样性逐渐下降，而在底泥中只有C降解的alpha多样性逐渐增加。主成分分析显示在C和N循环基因中，胺类暴露下功能基因图谱与空白对照组明显不同，提示尸胺和腐胺暴露会改变C和N循环中的功能基因图谱（图3）。
图3 C循环和N循环的功能基因的alpha多样性（a）和beta多样性（d-f）
具体而言，尸胺和腐胺混合暴露主要抑制C和N循环的某些功能性基因表达（图4，红色字体为丰度增加，蓝色字体为丰度降低）。对于C固定，尸胺和腐胺混合暴露抑制黄河水中的还原乙酰辅酶A途径（即acsB和acsE）相关功能基因的表达，同时显著促进了底泥中的羟基丙酸-羟基丁酸循环（即accA）相关功能基因的表达。此外，底泥中的尸胺暴露会增加Calvin循环（即rbcL）基因丰度。底泥的腐胺暴露会增加2-甲基富马酸-CoA异构酶途径（即mct）基因丰度，同时降低还原柠檬酸循环（即korA）基因的丰度。对于C降解，在水中尸胺和腐胺暴露下，只有木质素降解（即lig）基因的丰度降低，表明胺类混合暴露抑制木质素在黄河水中的降解。对于N循环，尸胺和腐胺混合暴露降低黄河水和底泥中反硝化过程（nirS）、硝化过程（amoB）和同化过程（gdhA）的关键功能基因丰度。同时，底泥的腐胺暴露会增加N2固定（即nifH）相关基因丰度，而尸胺暴露会增加反硝化（即narG）相关功能基因丰度（图4）。
图4 胺类暴露下C固定（a）和N循环（b）过程中功能基因显著性变化
共现网络中包括44个节点，包括12个C固定的功能基因、15个C降解的功能基因和17个N循环的基因。结果发现共现网络中关键的功能基因主要是nirS（主要负责氮循环中的反硝化过程）、manB（主要负责碳降解中的半纤维素分解）和acsA（主要负责碳固定中的还原乙酰辅酶A途径）。为了进一步评估功能基因在整个网络中的拓扑作用，根据模块间连接性和模块内连接性值，共鉴定出连接者（connectors）中有13个功能基因，在共现网络中发挥重要作用。它们包括4个C固定功能基因（即还原乙酰辅酶A途径的acsA和acsE，3-羟基丙酸双循环的smtA和2-甲基富马酸辅酶A异构酶的mct），3个C降解功能基因（即abfA和manB用于半纤维素降解，sga用于淀粉分解），6个N循环功能基因（即nifH用于N2固定，amoB用于硝化，nirS1、nirS2、narG和nirK用于反硝化）。这些关键功能基因的丰度与大多数优势细菌（如Microbispora和Delftia）的丰度呈负相关，进一步表明尸胺和腐胺对C和N循环的抑制作用（图5）。
图5 功能基因的共现网络（a）、关键因子（b）和与优势微生物的相关热图（c）
PLS-PM路径分析用于探索影响因素对C固定、C降解和N循环相关的功能基因的作用过程。对于C固定，微生物群落具有最大的负向效应（-0.590），而胺类暴露处理具有最大的正向效应（0.492）。对于C降解，对功能基因的主要正向和负向效应是微生物群落（0.577）和环境因素（-0.398）。对氮循环的最大正向效应是微生物群落（0.728），而最大的负面效应是环境因素（-0.231）。与N循环相比，胺类暴露处理通过环境因素和微生物群落对C循环的总体效应更大（图6）。
图6 胺类暴露对C循环和N循环中功能基因的作用路径（a-c）和标准化效应（d-f）
结论
本实验室研究揭示了在尸胺和腐胺暴露下，黄河水和底泥C和N循环功能基因的变化、影响因素和基因通路。尸胺和腐胺暴露会降低黄河水样中C和N循环基因的alpha多样性。我们还发现尸胺和腐胺混合暴露主要抑制C固定和N循环的途径，同时促进C降解。这些发现可以为水生环境中动物尸体污染的管理提供重要参考。为更全面地了解尸体污染造成的胺类污染对环境的长久影响，未来应深入探索尸胺和腐胺污染对动物生理代谢及健康的影响。
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