PNAS | IF:11.205 蛋白+代谢+脂质组学揭示变化环境下云杉和泥炭地对全生态系统变暖的响应

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前言


2021年6月,佛罗里达州立大学Rachel M. Wilson教授课题组在PNAS期刊发表的题为 “Soil metabolome response to whole-ecosystem warming at the Spruce and Peatland Responses under Changing Environments experiment ”的研究成果,通过代谢组学、蛋白组学、脂质组学研究方法,发现变暖的环境加剧了土壤有机质的降解,增加了温室气体的产生。揭示了气候变暖对生态环境的影响。



基本信息


中文标题:云杉和泥炭地土壤代谢组对全生态系统变暖的响应

研究对象:生态环境

发表期刊:PNAS

影响因子:11.205

发表时间:2021 年6月14日

发表单位:佛罗里达州立大学,亚利桑那大学,乔治亚理工学院生物科学学院,橡树岭国家实验室生物科学部,施密德科技学院

运用生物技术:代谢组学、蛋白组学、脂质组学


研究背景


泥炭地中土壤有机质(OM)占全球的三分之一左右,在泥炭地沉积后,微生物介导土壤有机质分解为CO2和CH4。由于CH4比CO2具有更大的全球变暖潜力,泥炭地对气候的净增温或净降温作用取决于初级生产者对CO2的吸收和异养呼吸对CO2CH4的排放之间的平衡。气候变暖及其导致的生态系统响应,包括地下水位下降和植被群落组成、生产速率和组成的变化,影响OM分解以及CO2CH4的相对产量。泥炭地分析的许多证据表明,溶解的OM (DOM)比固体泥炭含有更重要的甲烷生成基质。因此,增加表层DOM输入量可以增加深层CH4产量。可用于分解的OM的质量,也可能影响CH4产生的速率和途径。环境变化下云杉和泥炭地的响应实验能够指导我们研究整个生态系统变暖开始以来介导CO2和CH4产生速率的机制。


研究思路



研究结果


1

地球化学结果


根据溶解的CO2CH4浓度和稳定同位素的结合分析发现。在所有深度中,孔隙水CO2浓度随温度(受季节和温度处理控制)显著增加(P值如图1A所示)。仅在10厘米和25厘米深度,甲烷浓度随温度升高而显著增加(图1B)。然而,在使用稳定的基于同位素的模型修正了泥炭中CO2CH4的差异输运后,CO2:CH4比值显示在25、50和75 cm深度随着变暖而显著下降(图1D)。alphaC表明,产甲烷途径随温度没有显著变化(图1C)


图1 | 所有季节Porewater CO2CH4浓度(A和B)、alphaC (C)和CO2CH4比值(D)与每个围栏的测量温度(在泥炭表面以下50厘米)图。不同的颜色表示不同的深度。线条表示每个深度的显著回归;显著回归的r2和P值显示在每个面板中。



2

代谢物结果


FTICR-MS 结果。通过FTICR-MS分析,在所有SPRUCE处理和深度的DOM中发现了67,040种独特的化合物(SI附录,图S2)。在5个及以上土壤表层(25 cm深度)中鉴定出的7,985种化合物中,3,162种与温度呈正相关,2,553种与温度负相关,2,270种与温度无显著相关(0.10< p<+ 0.10;SI附录,图S2)。在此分析中,与温度负相关的化合物在高温下消失或被消耗,而与温度正相关的化合物在高温下出现或产生。随着温度升高的化合物主要是木质素和其他类酚类化合物。随着气候变暖而减少的化合物主要是碳水化合物、多肽和低O:C比的化合物。微生物相关的代谢物,如蛋白和脂类化合物,随着温度的下降而下降。碳水化合物也随着温度的升高而减少,而其他碳氢化合物则随着温度的升高而增加。


地表泥炭DOM的平均NOSC随温度的升高显著下降,与分解增强期间的预期结果一致(P = 0.0031;图2)。DOM NOSC的下降表明,残余DOM在较高温度下比在较低温度下分解得更多。此外,简单的电子平衡表明,较低氧化态OM的分解将越来越有利于CH4生成,而不是CO2生成,这与作者对CO2CH4比值的测量结果一致(图1)


图2 | 表面 FTICR-MS 鉴定的化合物中的平均碳标称氧化态随着每个范围中的泥炭温度而下降(在泥炭表面以下 50 厘米处测量)。r2和P值表示随温度的回归结果(实线 ±95% CI,虚线)。符号颜色表示不同的采样月份;形状表示深度。


NMR结果:NMR共检测到27个参与中心碳代谢的化合物,其中,13个浓度足以进行量化。几种化合物仅在15cm处存在,但在45和87cm处不存在(SI附录,表S6),因此作者将关注点聚焦于表面浓度随温度的变化。


GC-MS代谢组学结果:通过GC-MS代谢组学观察到 92种化合物,其中,49种与数据库中可用的化合物相匹配,包括重要的发酵代谢物,如葡萄糖、丙酮酸、琥珀酸和几种 (n=10) 初级氨基酸。NMR也观察到了七种已鉴定的化合物。通过 GC-MS 测量,表面(15 厘米)SOM 中的糖和氨基酸浓度随温度处理而变化,随着温度的升高,通常趋向于更高的糖浓度和更低的游离氨基酸浓度(图 3)。谷氨酰胺在氨基酸中是一个明显的例外,在浓度与温度处理中观察到了积极的趋势(图 3)。此外,与植物应激反应相关的化合物(油酸、肌醇、半乳糖醇和 4-羟基-3-甲氧基苯甲酸)随温度升高而增加(SI 附录,图 S5)


脂质组学结果:在三个脂质类别和13个亚类中观察到总共 209 种独特的脂质,包括异构体(SI 附录)。在甘油磷脂中确定的主要类别包括甘油磷酸 (PA)、甘油磷酸胆碱 (PC)、甘油磷酸乙醇胺 (PE) 和甘油磷酸甘油 (PG)。在甘油脂中,作者鉴定了双半乳糖二酰基甘油 (DGDGs)、二酰基甘油三酰基甘油 (DGs) 和其他甘油脂 (DGTSA)。还鉴定了鞘脂类中的神经酰胺(Cers)。


宏蛋白质组学结果:泥炭提取物中的总酶计数显示随着深度的增加而迅速下降(SI 附录,图 S6),大约 90% 的酶仅在最浅的深度(15 cm)中发现。总酶计数没有随温度的明显变化(t检验,P > 0.05;SI 附录,图 S6)。通过回归分析,只有35种酶与温度显著相关(P < 0.05;SI 附录,表 S7)。蛋白酶是与温度正相关最强的酶之一,氧化还原酶和一些水解酶属于与温度负相关的酶。


图3 | 2016 年 8 月从地表泥炭(15cm)收集的泥炭提取物中通过 GC-MS 鉴定的糖和氨基酸与给定温度处理的平均测量泥炭温度(50 cm)对比。



3

代谢组学结果


联合代谢物与宏蛋白质组学数据的多因素统计分析。综合蛋白质组学、FTICR-MS、NMR、GC-MS靶向代谢组学和脂质组学数据的 PCA 显示土壤深度是样品间变异的主要驱动因素,占总37%(图 4)。SPRUCE 的先前研究同样发现深度是 DOM 的有机化学和微生物群落组成变化的主要驱动力。


表面泥炭与缬氨酸、亮氨酸和异亮氨酸浓度呈正相关(图 3),还与支链氨基酸转运系统底物结合蛋白和催化生产第一步的乙酰乳酸合酶的计数呈正相。与表面泥炭样品相关的葡萄糖代谢中的一种重要酶是磷酸果糖激酶。甜菜碱脂质(DGTSAs;二酰基甘油基-N、N、N-三甲基高丝氨酸和二酰基甘油基羟甲基-N、N、N-三甲基-β-丙氨酸)存在于地衣、真菌和苔藓中,但不存在于开花植物中,也与表面样品有关。相比之下,许多蜡质脂质真核细胞 Cers 与更深的样本更相关。


虽然几种酶与 PCA 中温度处理之间的变化呈正相关,但这些相关性并不强。然而,针对 KEGG 搜索作者鉴定的蛋白质和代谢物揭示了几种潜在的微生物途径。在 γ-氨基丁酸 (GABA) 分流模块中鉴定了四分之三的化合物,该模块通过闭环生产过程保存 GABA。此外,文章还确定了涉及产甲烷的两个主要途径(图 5)、破乙酸和氢营养的许多步骤。同时,文章确定了几种参与甲基营养产甲烷的中间体和蛋白质(图 5),这是一个较少研究的泥炭地CH4生产途径。


图4 | 综合地球化学数据(FTICR-MS、GC-MS、NMR、LC-MS 和蛋白质组学)的 PCA。符号颜色表示温度处理;形状表示样本深度。


图5 | 将化合物和酶与 KEGG 模块数据库匹配的结果。



相关讨论


溶解孔隙水的CO2浓度随温度在所有深度显着增加,表明整个泥炭剖面的异养呼吸速率增加(图1A)。孔隙水 CH4浓度也随着变暖而显着增加,但仅在表层泥炭(10 至 25 cm)中(图 1 B)CH4随温度变暖的浓度与之前在地表泥炭中观察到的核心产甲烷基因丰度的变化是一致的。虽然 CO2CH4浓度都增加了,但两种气体之间的差异响应导致 CO2CH4比率随着在 25 至 75 厘米深度随着温度变暖而下降(图 1 D),这表明 CH4对温度变化更敏感。


研究结论


在整个泥炭柱中,与C. methanoflorens具有高度序列同一性的产甲烷菌 ASV 和 MAG占主导地位,并在 40 至 50 厘米深度处相对丰度达到峰值。甲烷杆菌科成员是代谢最多的产甲烷菌群之一,在地表 10 至 20 厘米深度处显示出最高的相对丰度,在更深处几乎不存在。Methanoregulaceae 、Methanomicrobaceae和Methanomethyliaceae的成员在 100 厘米深度以下以检测到较低的相对丰度。Methanomethyliaceae是已知的甲基营养菌,从甲基化底物产生CH4。泥炭剖面内的深度是地球化学变化的最大驱动因素,总体趋势为植物衍生代谢物和单糖随着变暖而增加,而微生物生物合成的底物通常随着变暖而减少。



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全球变暖会促进泥炭地中土壤碳的分解,进而影响气候变化。作者用一套环境地球化学分析和一组变化环境下云杉和泥炭地响应 (SPRUCE) 的实验,证实了随着温度的变暖,泥炭地植被中维管植物的覆盖率和甲烷产生的条件增加,加之泥炭地的响应,这将会促进温度的变化。


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