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温度升高促进河流沉积物中微生物介导的木质素分解
发布时间：
2026-05-14
研究利用13C-木质素和13C-香兰素对河流表层沉积物进行了稳定同位素探测(SIP)，并利用CO2生成分析、16S rRNA 基因扩增子测序、宏基因组学和宏转录组学等一系列技术来鉴定木质素分解微生物以及温度对微生物介导的木质素分解的影响。研究阐明了河流沉积物中潜在的木质素分解微生物和途径及其对温度升高的响应。
作者：Jialing Li, Weimin Sun, Yingjie Cao, Jiaxue Wu, Li Duan, Miaomiao Zhang, Xiaoqing Luo, Qiqi Deng, Ziqi Peng, Xiaozhen Mou, Wenjun Li, Pandeng Wang
期刊：Microbiome
DOI：10.1186/s40168-025-02076-z
摘要
木质素在地球碳循环中发挥着至关重要的作用。木质素进入水环境后，部分木质素往往会在沉积物中积累，形成相对稳定的碳库。然而，人类活动引起的气温升高可能会影响微生物介导的木质素分解，从而影响沉积碳库。因此，揭示温度如何影响河流沉积物中微生物介导的木质素分解，对于理解河流碳库与气候之间的反馈关系至关重要。为此，我们利用13C-木质素和13C-香兰素对河流表层沉积物进行了稳定同位素探测 (SIP)，并利用CO2生成分析、16S rRNA 基因扩增子测序、宏基因组学和宏转录组学等一系列技术来鉴定木质素分解微生物以及温度对微生物介导的木质素分解的影响。
结果表明，温度升高不仅增加了沉积物总呼吸量（总二氧化碳）和木质素/香兰素分解产生的二氧化碳排放，还增强了启动效应。Burkholderiales、Sphingomonadales和Pseudomonadales等13C标记的菌类被鉴定为主要的潜在木质素/香兰素分解菌，其丰度和活性随温度升高显著增加。此外，我们还观察到温度升高显著增加了木质素分解途径的活性，包括β-芳醚片段和4,5-PDOG途径。此外，随着温度升高，其他碳循环相关基因，如pulA（淀粉分解）和xyla（半纤维素分解）的转录丰度也呈上升趋势。总之，我们的研究阐明了河流沉积物中潜在的木质素分解微生物和途径及其对温度升高的响应。
技术路线
结果
1.温度升高增强了沉积物呼吸作用、木质素/香兰素分解和启动效应
图1.温度对木质素/香草醛分解的影响。(a)展示了稳定同位素探针实验的设计方案。（b、c、d、e）和（f、g、h、i）分别展示了木质素和香兰素培养过程中累计的13CO2、累计的总CO2以及累计13CO2 与累计总CO2的比值的变化以及启动效应。
2.温度升高影响木质素/香兰素分解菌的丰度和活性
图2.潜在木质素/香兰素分解菌对温度升高的响应。(a) 13C标记微生物群落绝对丰度随温度梯度的变化。采用qPCR测定不同培养处理下微生物群落的绝对丰度。(b) 13C标记优势菌群丰度对温度升高的响应。NMDS结果显示了潜在（13C标记）木质素（c）或香兰素（d）分解菌在不同温度处理下的组成变化。
图3.13C标记的潜在木质素/香兰素分解菌的最大似然系统发育树。
3.温度升高改变了木质素分解途径
图4.温度对木质素分解途径及潜在分解微生物的影响。(a)不同温度下木质素分解途径中三种处理间总RNA中标准化基因丰度的变化。(b)木质素分解基因的微生物分类组成。
图5.温度对香兰素分解途径及潜在分解微生物的影响。(a)不同温度下香兰素分解途径中三个处理组总RNA中标准化基因丰度的变化。(b)香兰素分解基因的微生物分类组成。
4.温度升高导致碳分解的广泛变化
图6.13C标记微生物群落中关键碳分解基因标准化转录丰度的变化（a：木质素；b：香兰素）。从左到右，分解基因的潜在底物呈现出从易降解到难降解的逐渐过渡。
讨论
图7.温度升高对河流沉积物中木质素分解和碳循环影响的概念图。人类活动导致更多的溶解物、颗粒物和有机碳（包括木质素）排入河流，从而增加了沉积物中的碳积累。随着温度升高，微生物细胞总数和木质素分解菌的丰度增加，从而增强了微生物介导的木质素分解、二氧化碳的产生和沉积物中的启动效应。高分子量（HMW）和低分子量（LMW）木质素分解的动态变化表明碳循环对温度升高具有高度敏感性。加号（+）表示效应增强，减号（-）表示效应减弱。
本研究以13C-木质素代表高分子量木质素分解的早期阶段，以13C-香草醛代表低分子量木质素分解的后期阶段。根据SIP实验，我们发现总CO2的产生速率随着温度的升高而显著增加，这表明整个微生物群落对有机碳的呼吸作用随着温度的升高而增强。木质素/香兰素的分解也随着温度的升高而显著增强。此外，考虑到来自13C标记的CO2的比例随着温度升高而显著增加，木质素的分解可能比其他有机碳更容易受到温度升高的影响。此外，木质素/香兰素添加的启动效应也随着温度升高而显著增强，这表明随着全球变暖加剧，来自陆地的木质素/香兰素输入将更强烈地刺激河流沉积物中有机碳的分解（图7），从而可能释放更多的温室气体并加剧气候变化。
我们发现温度变化显著改变了微生物群落组成，并且总木质素/香兰素分解菌的丰度随着温度升高而显著增加。分解菌丰度的增加可能是木质素/香兰素分解增强的原因（温度升高时累积的二氧化碳含量更高）。在13C标记的DNA中，我们确定Burkholderiales和Sphingomonadales是潜在的关键木质素/香兰素分解菌。此外，经过42天（13C-木质素）和7天（13C-香草醛）培养，当温度从23℃升高到26℃和29℃时，Burkholderiales和Sphingomonadales的绝对丰度分别增加了1.26~15倍和2.27~20.9倍（图2），表明它们的活性随着温度的升高而增强。
温度显著影响木质素/香兰素分解菌。在高温下，香兰素分解菌的丰度增加幅度大于木质素分解菌（图2b），这可能是因为香兰素的化学结构更简单，代谢途径更直接，允许细菌直接吸收或扩散到细胞内。相反，木质素复杂、高度交联的聚合物结构需要细胞外酶的分泌和一系列酶促反应。先前的研究表明，底物的复杂性决定了微生物效率对温度的敏感性。香兰素分解的代谢途径相对简单，涉及的分类单元较少，主要来自Burkholderiales, Pseudomonadales和 Sphingomonadales（图2b）。相反，木质素分解涉及的分类单元范围更广，包括Anaerolineales, Gemmatimonadales和 Actinomycetales,，它们对温度变化的响应不同（图3）。例如，Pseudomonas在较高温度下表现出更高的分解效率。在分解类群较少的群落中，优势种对温度的响应显著影响整体行为。然而，在分解多样性更高的群落中，不同的响应可能会相互抵消，从而削弱温度对分解速率的影响。
值得注意的是，尽管已经利用模型底物鉴定和表征了木质素分解酶，但关于氧化木质素碎片如何分解的信息并不完整。因此，仍需要大量研究来更全面地了解温度对微生物介导的木质素分解的影响。重要的是，我们鉴定的木质素降解菌属于广泛存在于自然环境中的类群，这表明这些类群对变暖的响应可能具有环境普遍性。
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