近期，凌恩生物客户南京师范大学在《ISME Communications》期刊上发表了关于青藏高原湖泊甲烷营养菌的文章，该研究通过对湖泊沉积物进行宏基因组binning、16S rRNA和功能基因扩增子测序，阐明了青藏高原湖泊甲烷营养菌的组成和活性，并强调了甲基单胞菌科及其相关微生物作为活跃的甲烷氧化菌的优势。
期刊：ISME Commun
样本类型：湖泊沉积物发表时间：2024.03
DOI: 10.1093/ismeco/ycae032
研究背景
甲烷（CH4）是一种重要的温室气体，对当地和全球气候都有重大影响。本研究利用16s rRNA、功能基因扩增子测序以及宏基因组测序联合探讨了青藏高原湖泊甲烷营养菌的组成和活性。强调了甲基单胞菌科及其相关微生物作为活跃的甲烷消费者的优势，有助于理解高原碳循环。
实验设计
2015-2020年，从青藏高原98个湖泊中采集了231份地表沉积物样本。将98个湖泊按其盐度分为三组：淡水湖、咸水湖和盐水湖。
注：DNA-SIP：稳定性同位素核酸探针技术。10个淡水湖：MC、MPYC、DJMC、WRC、ZGC、BGC、GRC、DTC、QGC和AMC。孵育实验中7d和14 d刷新甲烷体积至5%。
图 本研究调查的湖泊
实验结果
1、西藏湖泊沉积物中甲基单单胞菌科（Methylomonadaceae）的相对丰度
通过对所有湖泊沉积物进行16S rRNA高通量测序发现，湖泊沉积物中甲基单胞菌科丰度高于其他甲烷细菌，而且淡水湖泊的甲基单胞菌科丰度显著高于咸水湖和盐水湖。甲烷孵育实验的10个湖泊中，MC甲基单胞菌科丰度最高（图1）。
图1 三类湖泊中甲烷菌的相对丰度
2、甲烷氧化电位和pmoA基因丰度的动态变化
在21d孵育实验中，所有沉积物中的甲烷浓度都有不同程度的下降。在第14~21d，WRC的MOR瓶中最高，而DJMC的MOR最低（图2）。
利用pmoA基因的qPCR技术研究了甲烷培养过程中甲烷营养菌群的生长特征。结果发现，在培养21天后，甲烷营养菌的pmoA平均丰度显著增加。DJMC湖泊中，从0d到第7d 的pmoA基因丰度增加最多（图3A）。
图2 在初始甲烷5%浓度的孵育期间，瓶顶空中的甲烷浓度
3、湖泊沉积物中活跃的甲烷营养菌
利用16S rRNA研究了孵育过程中沉积物中甲烷营养菌的丰度，发现除BGC湖和DJMC湖外，其他湖泊中甲烷营养菌的相对丰度均有所增加（图3B）。
进一步通过对第7d沉积物 DNA-SIP 获得的15组同位素标记的DNA进行16S rRNA的高通量测序，发现13CH4培养的沉积物DNA中中存在大量的甲烷营养菌和其他甲基营养菌（图5）。其中甲基杆菌属（Methylobacter）是主要的活性甲烷营养菌。
图4 10个湖泊中不同孵化时间pmoA基因拷贝和基于16S rRNA的甲烷营养菌的相对丰度
图5 在12C-和13C-DNA部分培养1天后，基于16S rRNA基因的甲基营养体和甲烷营养体的相对丰度
4、甲烷营养菌与其他细菌的共现网络
基于13C-DNA分离的DNA和总DNA的16S rRNA测序丰富的OTUs构建共现网络。发现在13C-DNA网络和总DNA 网络中（图6），甲烷营养菌的OTU数目高于甲基营养菌。不同模块中的甲烷营养菌和甲基营养菌及其他营养体之间存在显著相关性，揭示了13C-DNA网络中复杂的代谢相关性。
图6 13C-CH4标记的CH4孵化湖泊沉积物的DNA和总DNA的细菌共现网络
5、甲基单胞菌科宏基因组组装基因组及其代谢适应
对AMC和MPYC的污泥进行宏基因组binning测序，利用MAGs（Bin_009、Bin_018、Bin_025、Bin_038和Bin_041）构建甲基单胞菌科的系统发育树，发现除Bin_025之外，Bin_041是AMC中第二丰富的MAG，属于甲基单单胞菌科（Methylomonadaceae ）和甲基杆菌属（Methylobacter）。
进一步研究了甲基单胞菌的代谢，发现Bin_041在甲烷代谢模块中包含中心产甲烷途径相关mvhA基因。Bin_025和Bin_009都包含甲烷氧化方面的编码pMMO的基因簇（pmoCAB）。也存在将甲醛转化为甲酸盐的四氢甲基蝶呤（H4MPT）途径的相关基因。在氮代谢方面和在氢代谢方面也存在相关基因（图7）。
图7 甲基营养菌的代谢途径
研究结论
研究表明，淡水湖中甲基单胞菌科的相对丰度高于半咸水湖和咸水湖。通过对13CH4的沉积物孵育，然后进行高通量测序和宏基因组分析，结果进一步证明了甲基单胞菌科正在积极氧化甲烷。另外，甲烷营养菌与包括反硝化细菌在内的其他细菌之间存在代谢相互作用，表明沉积物中甲烷氧化和反硝化的潜在耦合。综上，湖泊沉积物中的甲烷氧化微生物受到盐度的影响，并在这些湖泊的甲烷循环中发挥着重要作用。
现有全 新 升 级的宏基因binning测序分析流程，该分析策略不仅可以有效区分原核生物和真核生物序列，还可以发现新物种。另外还可以提供细菌-古菌-真核生物MAGs联合分析，深入解析生境中的微生物组相互作用。凌恩在宏基因binning测序方面具有丰富的项目经验，为您的科研之路保驾护航。
参考文献
Deng Y, et al. Methylomonadaceae was the active and dominant methanotroph in Tibet lake sediments. ISME Communications. 2024;4 (1):ycae032.
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