微生物宏基因组测序可以解释地球氮循环？

　　微生物（细菌和古细等）是全球生物地球化学循环的重要驱动者。阐明微生物生物地理分布及其驱动过程对于预测环境变化将如何影响生物地球化学循环非常重要。以往微生物生物地理学的研究常常聚焦在物种的层面。然而，越来越多的研究表明，由于微生物群落固有的功能冗余性，微生物群落的功能变化通常与其物种组成变化是解耦的，并且相比物种结构，功能结构与环境变化和生态系统功能的关系更加密切。因此直接研究微生物功能基因的生物地理分布对于更好地了解环境变化对生物地球化学循环的潜在影响是十分必要的。

　　 氮循环是地球上最重要的生物地球化学过程之一。自然界中，氮可以以多种价态（-3到+5）存在，不同价态之间的转换主要是由微生物所驱动。目前我们对微生物氮循环功能基因的生物地理分布还缺乏足够的认识，这一定程度上阻碍了对自然界氮循环的系统性理解。

　　 近期，中山大学生命科学学院李文均教授团队以珠江口沉积物为研究系统（图1），利用宏基因组学技术和生物信息学分析揭示了关键氮循环功能基因的多样性和丰度在珠江河口的生物地理分布特征。

图1. 采样点分布图

　　 研究发现在珠江河口沉积物中参与反硝化和硝酸盐异化还原为铵途径的功能基因比参与其他过程（即固氮、硝化、同化亚硝酸盐还原）的基因具有更高的多样性（图2）。

图2. 氮循环功能基因的多样性及其空间分布

　　 此外，参与相同通路（如反硝化作用）的氮循环功能基因对环境变化的响应不一致（图3），并且参与不同氮循环步骤的主要类群也不相同（图4），这一定程度上解释了为什么单个功能基因的丰度往往不是特定氮循环过程速率的可靠代理。这项研究从生物地理学的角度扩展了我们对氮循环过程的了解。本研究的思路也适用于其它生境，并且随着宏基因组数据的不断积累，我们最终可以绘制一幅氮循环功能基因的全球分布图。这张图将为我们从生物地理学的角度理解全球氮循环提供重要的基础背景信息。

图3. 环境因子在解释功能基因多样性（A）和丰度（B）变化中的重要性

图4. 不同氮循环功能基因的物种组成

　　 该研究成果以“Biogeographic distributions of nitrogen-cycling functional genes in a subtropical estuary”为题发表于Functional Ecology期刊。中山大学生态学院博士后王攀登和生命科学学院博士后李佳岭为本论文共同第一作者，李文均教授为独立通讯作者，中山大学为该成果的第一完成单位。该研究工作得到博士后面上基金（2020M683029, 2018M643294）、南方海洋科学与工程广东省实验室（珠海）创新团队项目（311020003, 311020005）、中央高校基本科研业务费专项资金（2021qntd18）和广东省基础与应用基础研究基金（2020A1515011139）的资助。

　　 论文连接：https://doi.org/10.1111/1365-2435.13949