本文由沐秋编译，董小橙、江舜尧编辑。
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导 读
生物群落的结构通常指分类单元的概况，其生态功能被认为是已知的，或者至少是可预测的。然而，在环境微生物学中，大多数微生物的功能是未知的，这模糊了分类结构和生态系统功能之间的联系。虽然在群落层面基于遗传特质的方法可以克服这个问题，但在一般生态背景下，没有明显的基因类别选择可以被确定为适当的描述性单位。本研究使用来自18个生物群落的247个微生物宏基因组来确定哪组基因能更好地表征全球范围内生物群落之间的差异。本研究表明氧化还原酶基因与其他普通蛋白编码基因、转运体基因和分类基因标记物相比，生物群落分化程度最高。在氧化还原酶对微生物群落的描述基础上，能量学在不同生物群系的分化和在特定生态系统功能中的作用更为明显。我们的研究还表明，分类学多样性与功能多样性并不关联，例如，草地和根际是氧化还原酶中最多样化的生物群落，而在分类学层面上却并非如此。考虑到微生物通过氧化还原酶支撑生物地球化学过程和养分循环，这种功能多样性应该与更好地理解生物群落的稳定性和保护性有关。因此，这种方法可能有助于在我们目前面临的全球范围内的生物群系危机层面上量化环境压力对微生物生态系统的影响。
论文ID
原名：Redox traits characterize the organization of global microbial communities
译名：氧化还原特性表征了全球微生物群落的组织特征
期刊：PNAS
IF：9.504
发表时间：2019
通信作者：Salvador Ramírez-Flandes
通信作者单位：智利康塞，普西翁大学，海洋学系
意 义
生物群落通常指物种的组合，其生态作用是已知的或可从其形态预测到的。在微生物生态学中，这种分类学方法受到区分不同微生物的能力有限性的阻碍，这些微生物具有高度动态的基因组并建立了复杂的关联。基于不依赖于培养的功能基因谱分析的方法可以克服这些问题，但一般情况下仍然缺乏一组可用的已建立的基因。我们的研究表明与还原-氧化（氧化还原）过程相关的基因将微生物群落分离成相应的生物群落。这种基于氧化还原的特征与生态系统的微生物能量学和大多数生物地球化学循环有关，可能有助于在微生物的基础上评估环境退化对生态系统服务的影响。
引 言
生物群落通常被描述为物种的集合，其生态作用是已知的或可从其可观察的形态特征预测的。在二十世纪初期，Lotka和Volterra使用物种数作为描述生态系统相互作用和复杂性的微分方程的主变量开创了理论生态学的发展。从那以后，大多数理论生态学家都使用物种数作为发展广泛理论体系的生态单位，其中包括用于解释人口和群落动态的精细数学模型。在实践中，这种方法需要把每个被观察的个体分类成一个分类单元，而在微生物生态学中这无疑是一个问题。在这种情况下，微生物生态学家会面临三个主要问题。首先，可观察到的形态属性无法提供足够的辨别或功能表征。其次，对微生物物种进行分离以评估其生理和生态功能是不可能的，这种现象与所谓的“大平板计数异常”有关。第三，原核基因组是高度动态的，这主要是受到了水平基因转移和移动DNA元件和噬菌体的影响。微生物生态学家使用分子分类学标记（主要是小亚基核糖体RNA基因）来解决第一和第二个问题，从而在操作上定义物种并估计其丰度和分类多样性。这种分类方法已被用来解释和预测不同环境中的微生物动力学。基于此，地球微生物组项目倡议最近报道了全球范围内每个生物群落的微生物分类多样性，并使用标准化方案提供了有组织和完整的微生物目录。然而一些研究报告显示，在明显相似的生态环境下存在不一致的分类相关性，只有当使用多个蛋白质编码基因作为特征，并且当使用整个群落作为生态单元进行分析时，才能发现更好的一致性。然而在现有的生物群系的广泛背景下，选择与生态相关的蛋白质编码基因类别并不明显。我们分析了来自18个生物群落的247个宏基因组（图1）来解决这个问题，并确定生物群落之间的差异在哪个特定非排他性基因组中最高。这些基因集包括KEGG数据库中的相关直系同源蛋白编码基因（基于特征分析的典型方法），酶编码基因，转运蛋白相关基因和分类标记基因（图1）。我们发现编码酶的基因组比其他基因类别更能区分生物群落，表明它们可以更好地描述微生物群落与它们各自的生物群落的关联。此外，我们发现功能和分类方法与生物群落最大多样性没有对应关系。氧化还原酶对微生物群落的描述也可以作为生态系统能量描述的替代物，因为这些蛋白质负责氧化还原反应，即每个生物体利用能量并改变环境化学特征的过程。
图1 基因生物群落和基因类别。（A）本文包括了生物群系的草图（宏基因组作为微生物群落的代表）。与动物相关的生物群系仅包括来自陆地动物的宏基因组。这些宏基因组的完整列表和来源见附录表S1。（B）A中所示生物群落的组织清单。除了生物群系名称之外，每个生物群系的宏基因组数量标注于括号内，在其余图中用颜色代码表示。（C）分析中考虑的基因谱的类别。所有蛋白质修饰学均指KEGG蛋白质数据库中存在的蛋白质组学。第四级分类通常对应于原核分类中的门级别（详见SI附录）。
材料与方法
数据收集和序列分析：近年来，从多种微生物群落的宏基因组研究中收集了宏基因组数据集。用至少三个通过454或Illumina技术测序的宏基因组来覆盖生物群落。该过程产生了247个宏基因组，分为18个生物群落（图1）。这些数据集的来源列于SI附录表S1中。使用DIAMOND软件的BLASTX算法将这些序列与不同的蛋白质序列数据库（SI附录，图S6）比对，比特分数截止值为50。通过这些比对结果，构建了图1中和表1中列出的不同的谱图。
群体差异分析：PERMANOVA统计检验用于评估和比较宏基因组（微生物群落）与生物群落的分离程度，基于非参数相关性[MIC和Spearman]计算的距离，使用表1的数据曲线构建的相异度矩阵。
多样性估计：对于所有宏基因组数据集，每个类别的概况首先通过95％的覆盖百分比进行重新采样。通过使用逆Simpson指数在重采样数据集上计算真实多样性。每个生物群系的多样性表示为每个生物群系的所有宏基因组数据集的多样性的平均值（SI附录，表S1）。
网络和聚类：对于上述每对谱图，它们之间的距离表示为1个相关性。宏基因组的网络通过图形交换XML格式的图形构造和使用与网络OpenOrd布局Gephi软件渲染。利用R包pvclust对104个排列进行聚类，并基于Spearman相关进行距离聚类。选择图3中的基因作为来自每个生物群系的前三个氧化还原酶基因，其平均排名低于总平均值。有关更多详细信息，请参阅SI附录。
结果与讨论
从生态学的角度来看，群落功能代表了与生态系统最相关的信息。在微生物生态学领域，当这些功能根据功能基因细分为分子过程时需要鉴定它们是否都具有相同的生态相关性，以此来区分一个生物群落与另一个生物群落（图1）。我们的结果表明，当比较分类和功能基因组时，生物群落中氧化还原功能存在最显著的统计学差异（表1和SI附录，图S5和表S2））。氧化还原酶基因在生物群系分类中的识别能力可以在以宏基因组为节点（微生物群落，根据生物群系的起源着色）和以相关性为边缘的不同基因类别的关联网络中显现出来（图2A和SI附录，图S3和S4）。来自不同生物群落的宏基因组在氧化还原酶网络中比在分类学标记物的网络中分离度更高，详见表1。这些剖面的分层聚类（图2B和SI附录，图S1和S2）揭示了以下三个主要的生物群落：一组明显的缺氧或低氧生物群落（动物相关，一些温泉，地下生态系统，海洋沉积物，海底沉积物和红树林沉积物），一组水生生物群落（淡水和不同类型的海洋生态系统）和一组与土壤相关的生物群落（草地，森林，沙漠和根际）。这些生态系统共有的氧限制条件没有反映在这种聚类中，因为浮游低氧环境中的微生物主要利用化学自养代谢而不是通常发生在例如缺氧沉积物中的有机物的厌氧降解。这项分析还表明，来自极端生态系统的宏基因组，如酸性洞穴生物膜、一些温泉系统和高盐环境，聚集在这三个主要群体之外。
图2 微生物宏基因组和生物群落的关联。（A）通过氧化还原酶和分类学基因等级的概况对微生物宏基因组用网络进行表示。这些节点对应于宏基因组，根据它们的生物群落着色（图1）。边缘表示最大信息系数（MIC）。在与氧化还原酶相关的网络中（左），显示所有MIC≥0.5。与分类概况相关的网络（右）是在所有MIC≥0.1的情况下绘制的，并且这些值显著降低。将这些分类边缘权重增加0.4以达到视觉平衡。生物群系（颜色）的差异聚类由内聚力和分离的值来解释表1（另见SI附录，图S3和S4）。（B）基于氧化还原酶基因谱的宏基因组的层次聚类的简化版本（仅拓扑结构和每个生物组分组）（SI附录，图S1）图中显示了高于90％的支持值。
具有明显缺氧条件的生物群落共享与甲烷生成，硫化物氧化，反硝化，氢氧化，固氮和芳香醛氧化相关的特有氧化还原酶基因（图3）。这里分析的动物相关的宏基因组是高度多样化的，但大多数都与动物的消化系统有关，使得该组略微偏向于在这些微生物群落中更具代表性的功能基因。因此，应该小心解释与这些不同生物群落相关的功能，因为存在一些特例如人的舌背不支持能够利用氢氧化过程的微生物群落。实际上，等级聚类将与动物消化系统末端部分相关的微生物群落（盲肠，肠道和粪便）从其他动物相关的宏基因组（人口腔粘膜，舌背，龈上菌斑，前鼻孔和后穹窿，SI附录，图S2）中分离出来。虽然后一个微生物群落亚群也可能与潜在的缺氧微生境相关联，但发现前一个群体在功能上更接近海洋沉积物和海底生态系统的群落，主要是因为在缺氧条件下共有的氧化还原功能降解了有机物。值得注意的是，肠道相关的微生物组也显示出固氮能力（图3），这与最近的观察结果一致。
图3 与生物群落相关的独特氧化还原酶基因。通过统计学测试确定这些基因，每组内每个氧化还原酶基因的平均排名与其他生物组中的平均排名明显不同。该图中的深色和浅色分别表示相对丰度的高和低。因此，数字的排名与丰度相反即低等级表示高相对丰度。图中对这些值进行缩放以便更好的可视化，这意味着只能水平比较颜色阴影。其中一些独特的基因编码氧化还原酶，被认为与重要的生物地球化学和生物化学过程有关。例如，CoB-CoM异二硫化物还原酶（产甲烷），硫化物：醌还原酶（硫化物氧化），亚硝酸还原酶NADH（脱氮），氢化酶（氢氧化），固氮酶（固氮）和醛铁氧还蛋白氧化还原酶（芳香醛氧化）。计算使用这些值的分层聚类便于对生物群系和氧化还原酶基因进行分组。
海洋微生物群落的最佳特征是它拥有一组氧化还原酶，包括二甲基甘氨酸脱氢酶，肌氨酸氧化酶和胆碱脱氢酶（图3）。这些酶参与甘氨酸甜菜碱的合成和降解，甘氨酸甜菜碱是一种有效且广泛使用的相容性溶质，用于应对盐胁迫。实际上，大多数藻类和一些无脊椎动物产生并积累甘氨酸甜菜碱作为细胞内渗透物。因此，海洋微生物可能利用这种底物在海水中的有效性，并可将其转化为甲酸盐，然后甲酸盐可用作能源或用于生物合成的单碳代谢。甘氨酸甜菜碱的直接前体是胆碱，其在海水中也很丰富，因为它可以占藻类干重的0.39％。存在于海洋微生物群落中的独特氧化还原酶基因是3-羟基异丁酸脱氢酶，已发现其在氨基酸分解代谢中作为代谢应激情况下呼吸的替代底物的来源。在这些微生物群落的宏基因组中编码的氧化还原酶的另一代表物质是醛脱氢酶NAD+。多不饱和醛通常由硅藻作为对食草动物的化学防御产生，它们在海水中的浓度可能潜在地影响细菌群落结构和多样性。
与土壤相关的微生物群落主要表现为与碳源芳香族化合物降解有关的氧化还原酶基因（醇脱氢酶细胞色素c，异喹啉1-氧化还原酶，儿茶酚2,3-双加氧酶，尿黑酸1,2-双加氧酶和苯乙酰基-CoA1,2环氧酶（图3）。这可能是因为土壤中的大多数初级产物会以碎屑形式返回环境中，由于其构成了高等植物中木质素的重要组成部分，因此富含芳烃。编码甜菜碱醛脱氢酶的基因在土壤相关微生物群落中也是独特的。该酶作为碱性盐胁迫的相容溶质参与甘氨酸甜菜碱的生物合成。事实上，报告表明许多土壤环境都是高度碱性的，而干旱等瞬态条件会显著增加细胞内的碱度。此外，植物根系分泌物可以改变土壤化学，有时会造成碱度增加的微生境。因此，土壤微生物群落似乎通过合成其细胞防御而在遗传上具备抵抗盐碱胁迫的潜力，这与海洋微生物群落不同，海洋微生物群落显然更多地依赖于甘氨酸甜菜碱或其直接前体（例如胆碱或肌氨酸）的环境有效性。尽管淡水生物群落与海洋生物群落分组不同，但其相关微生物群在某些氧化还原酶基因与土壤生物群系的丰度上仍有相似之处，如甜菜碱醛脱氢酶、一氧化碳脱氢酶（受体）和硬脂酰辅酶A9 -去饱和酶（图3）。这一观察结果可能与最近一项研究的结果有关，该研究表明淡水生态系统可能与其他分离的微生物群落相关。
虽然大多数生物地球化学过程广泛分布在不同的环境中，但与这些过程相关的一些氧化还原酶基因可能对土壤和水生生物群系并不重要。这种明显的冲突可以这样解释：这些环境中最丰富的微生物常常是异养生物（例如，土壤中的酸杆菌成员和海洋中的SAR11）。因此，尽管在陆地和水生生态系统中也发生硝化，反硝化，硫氧化和碳固定，但它们的遗传标记明显少于与异养代谢相关的氧化还原酶基因（SI附录，表S4）。此外，明显缺氧组（通常含有较少的异养生物）的生物群落在许多这些过程中表现突出，例如产甲烷、氢氧化、固氮、硫氧化、硝化和反硝化（图2， 4）。此外，亚毒性条件下的氧化磷酸化过程（与cbb3氧化酶相关，由ccon基因编码，图4）在这些生物群落中表现最佳。尽管远洋低氧海洋生物群落并不聚集在这组生物群落中（图2B，3和SI附录，图S1和S2），它们的宏基因组显示出与某些过程相关的高遗传代表性，如硝化、反硝化和硫氧化（图4）。这一事实被描述为随着海洋生态系统中氧气的减少，营养水平受到损害，能量流逐渐重新进入到微生物路径的开始。这样的发展结束于极端情况，即所有底栖能量都被处理为硫化氢，同时在缺氧海洋区域的中间情况下积累亚硝酸盐。在过去的几十年中，海洋中的低氧区迅速扩大，由于全球变暖，低氧区有望进一步扩大。这反过来又会受到海洋低氧区作为厌氧微生物途径副产品排放的温室气体的影响。
图4 氧化还原酶基因在生物群落中的生物地球化学相关过程相对丰度。与生物地球化学过程相关的氧化还原酶基因及其排名前五的生物群系。每个基因的生物群落按顺时针顺序排列，从基因排名最好的生物群落开始。例如，不同亚硫酸盐还原酶基因（dsra；参与硫氧化和还原）在以下生物群系中排名最好：热液喷口、地下生境、红树林沉积物、温泉和缺氧区。
微生物的非凡传播潜力通常可以表达为“一切皆在，但环境选择”，最近的一项研究扩展到“每个基因无处不在，但环境选择”。这一事实表明，对微生物生态学中的生物群落进行大规模研究的多样性测定不仅应该包括基因类别的丰富性，还应包括基因类别分布的均匀性。通过使用反辛普森指数，我们发现微生物分类学多样性与微生物功能多样性无关。在我们的分析中，发现红树林沉积物微生物群落在分类学上是最多样化的。这一结果与最近的研究结果一致，这些研究表明一些沉积环境可能比土壤更加多样化，而传统意义认为土壤是微生物多样性最高的生态系统。然而，关于氧化还原酶基因，草原土壤和根际被发现是最多样化的生物群落（图5A）。这一发现与植物多样性观察结果相关，这表明在细粒中，草原是最多样化的土壤生物群落，每平方米含有多达约90种不同的植物物种。值得注意的是，由于广泛的栖息地丧失和保护不足,温带草原目前是面临最高生态风险的生物群落之一。为了给出草原中氧化还原酶基因的微生物多样性的定量例子，需要~130个最丰富的类别来覆盖这些基因的总丰度的70％。而相同的覆盖百分比只需要最丰富的类别下的地下和酸性洞穴生物膜的生物群落。
图5 生物群落的微生物多样性。（A）反向Simpson多样性指数（真实多样性，q = 2）构建热图谱图表示宏基因组的分类和功能概况。深色调表示高度多样性。对于均匀对比度，这些平均值按每个类别进行缩放。因此，颜色只能沿着列的方向进行比较，即通过生物群系进行比较。例如，关于氧化还原酶基因，草地生物群落是最多样化的，根际是第二个。另一方面，地下生物群系几乎在每个基因类别中都显示为不太多样化的生物群落。注意，“所有蛋白质”是指KEGG数据库中具有确定的直系同源性的所有蛋白质（详见SI附录）。（B）覆盖不同百分比的总氧化还原酶基因所需的氧化还原酶基因（纵轴）的平均数，每个生物组，从最大到较少的数量计算。例如，草地相关数据集中60个最丰富的氧化还原酶基因平均覆盖了大约。占氧化还原酶基因总量的45％。
相关变量的选择是分析复杂系统的关键步骤。在微生物生态学中，群落的分类结构通常被认为是微生物生态系统功能的代表。多年来，人们认为有必要采用基于性状的替代方法，但在选择一组实际应用所需的相关基因方面，还没有达成一致意见。为此，我们对不同的基因进行了评价，发现氧化还原酶基因是一种不错的选择。转运体基因组也有这个潜力，但它在区分生物群系方面的能力较低。这很可能是因为这些基因也有明显的冗余（例如，同一底物有不同的转运体，这取决于它们的亲缘关系）。其他酶基因组，例如与水解酶相关的酶基因也支持生物群的适当分离（表1和SI附录，图S4）。然而它们也与生物地球化学过程略有关系，这主要是通过碳循环实现的。相比之下，氧化还原酶直接参与大多数生物地球化学过程和各种环境中的养分循环。因此，这些功能的多样性可能与更好地理解生物群落的稳定性和保护性相关，因为生态系统转换与生物群落保护之间存在巨大差异，这被认为是一个持续的生物群落危机的组成部分。实际上，保护工作主要集中在特定物种或当地的大型群落（例如北极熊和珊瑚礁），而不是维持营养水平的微生物生态功能、生物地球化学循环以及由此产生的生态系统服务等。这种遗漏可能是由于难以使用微生物分类学信息预测环境压力因素引起的微生物生态系统功能障碍。我们预计，对微生物群落的氧化还原酶描述将有助于完成这项任务，并有助于在未来的发展中量化环境变化对微生物生态系统功能的影响。
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