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Science Bulletin｜甲烷微生物的冷适应特征与生态系统

花匠小妙招
2024-11-09 10:01

土壤产甲烷菌和甲烷氧化菌的活性与代谢特征对于湿地生态系统对全球气候变化的反馈至关重要。近期，中国科学院大学王艳芬教授等在Science Bulletin发表展望论文，阐述土壤中甲烷微生物的冷适应驱动生态系统-气候变化反馈，呼吁关注青藏高原独特的甲烷微生物冷适应特征及其机制。

位于青藏高原的若尔盖湿地是全球最大的高海拔泥炭地之一，也是甲烷排放的热点区域。与高纬度泥炭地不同，若尔盖湿地被繁茂的植被覆盖，年平均温度仅1℃左右。

结合稳定同位素标记、宏基因组组装基因组(MAG)等技术，近期研究首次在若尔盖湿地土壤中成功识别出了活跃的具有冷适应特征的甲烷氧化菌群，并构建了其好氧氧化甲烷的代谢途径。此外，有研究发现了新型厌氧甲烷氧化古菌菌株，仅在低温下（18℃）与铁偶联厌氧氧化甲烷。室内培养条件下，土壤好氧甲烷氧化速率在若尔盖比在北极高500倍，与铁偶联的厌氧甲烷氧化速率约为北方泥炭地的2倍。同时，若尔盖湿地土壤甲烷产生速率在低温条件下(15℃)显著高于高温条件（30℃），其甲醇途径具有更高的产甲烷速率。

为什么青藏高原若尔盖湿地会出现如此之高的甲烷代谢速率？该文认为甲烷代谢微生物的冷适应特征可能起到关键作用。新型MAG编码两种类型的甲醇脱氢酶赋予了甲烷氧化菌更灵活而高效的代谢方式。低温活跃甲基营养型产甲烷途径的分子基础在于mRNA加工介导的转录调控，能促进甲醇甲基转移酶编码基因转录本的稳定性和高效翻译。在若尔盖湿地，已鉴定出可能赋予厌氧甲烷氧化古菌冷适应特征的特有基因，通过重塑细胞被膜来应对低温。

青藏高原若尔盖湿地中发现的具有冷适应特征的产甲烷菌和甲烷氧化菌新种，与北极等地已知微生物类群的系统发育关系较远。为什么青藏高原和北极地区微生物拥有类似代谢途径，但其基因组却如此不同？该文推测可能由微生物类群的环境适应进化或相似代谢途径在不同生境中的独立进化所致，与青藏高原特有的地质隆升过程有关。与高纬度湿地不同，青藏高原高海拔湿地植被丰富，带来了更多样的土壤底物，滋养了不同的土壤微生物类群，在青藏高原隆升之前就可能与北极地区的微生物存在一定的差异。青藏高原土壤微生物显著区别于北极的微生物类群，也可能源于其发生的环境适应进化，由高原隆升后的寒冷和缺氧生境驱动。

当温度升高而冷适应失效时，青藏高原若尔盖湿地是否还能维持高效的甲烷代谢？其变化将对全球甲烷收支产生什么样的影响？为回答这些科学问题，王艳芬教授等呼吁科学家更多关注甲烷微生物的冷适应特征及其机制，为获得新的微生物资源打开大门，为理解全球变暖对低温生态系统的效应找到钥匙，为预测微生物调控的生态系统-气候变化反馈方向与强度提供支撑。

中国科学院大学王艳芬教授为第一作者和通讯作者。该文获得了中科院先导专项A（XDA20050104）等项目的资助。