微生物宏基因組測序可以解釋地球氮循環？

　　微生物（細菌和古細等）是全球生物地球化學循環的重要驅動者。闡明微生物生物地理分布及其驅動過程對于預測環境變化將如何影響生物地球化學循環非常重要。以往微生物生物地理學的研究常常聚焦在物種的層面。然而，越來越多的研究表明，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，并且相比物種結構，功能結構與環境變化和生態系統功能的關系更加密切。因此直接研究微生物功能基因的生物地理分布對于更好地了解環境變化對生物地球化學循環的潛在影響是十分必要的。

　　 氮循環是地球上最重要的生物地球化學過程之一。自然界中，氮可以以多種價態（-3到+5）存在，不同價態之間的轉換主要是由微生物所驅動。目前我們對微生物氮循環功能基因的生物地理分布還缺乏足夠的認識，這一定程度上阻礙了對自然界氮循環的系統性理解。

　　 近期，中山大學生命科學學院李文均教授團隊以珠江口沉積物為研究系統（圖1），利用宏基因組學技術和生物信息學分析揭示了關鍵氮循環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. 采樣點分布圖

　　 研究發現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）的氮循環功能基因對環境變化的響應不一致（圖3），并且參與不同氮循環步驟的主要類群也不相同（圖4），這一定程度上解釋了為什么單個功能基因的豐度往往不是特定氮循環過程速率的可靠代理。這項研究從生物地理學的角度擴展了我們對氮循環過程的了解。本研究的思路也適用于其它生境，并且隨著宏基因組數據的不斷積累，我們最終可以繪制一幅氮循環功能基因的全球分布圖。這張圖將為我們從生物地理學的角度理解全球氮循環提供重要的基礎背景信息。

圖3. 環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”為題發表于Functional Ecology期刊。中山大學生態學院博士后王攀登和生命科學學院博士后李佳嶺為本論文共同第一作者，李文均教授為獨立通訊作者，中山大學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）、南方海洋科學與工程廣東省實驗室（珠海）創新團隊項目（311020003, 311020005）、中央高校基本科研業務費專項資金（2021qntd18）和廣東省基礎與應用基礎研究基金（2020A1515011139）的資助。

　　 論文連接：https://doi.org/10.1111/1365-2435.13949