编译：文刀同，编辑：小菌菌、江舜尧。
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导读
自工业化时代以来，甲烷是温室气体引起全球变暖的约占20％的原因。淡水湖泊大大增加了全球自然甲烷排放量。另一方面，甲烷氧化细菌（MOB）大大减少了从湖泊向大气排放的甲烷。通常，许多MOB类共存于湖水中，尽管它们都依靠相同的主要资源（甲烷和氧气）来生长。这就提出了一个问题，即如何维护该甲烷氧化功能组内MOB的多样性或如何绕过“竞争排斥原则”。
生态位划分可能是观察到的多样性的一种可能解释，并且可能进一步是增加湖泊中甲烷过滤器效率的一种机制。不同的MOB在分层湖泊的水柱中形成了有效的甲烷过滤器，但是，人们对不同的MOB沿氧气-甲烷反向梯度的生态位分配仍然知之甚少。
在本研究中，研究者们通过基于16S rRNA和pmoA基因以及16S rRNA和pmoA转录本的扩增子测序分析以及潜在的甲烷氧化速率，揭示了四个沿氧-甲烷反梯度湖泊中活性MOB的垂直分布模式。差异分布模式表明，生态学上不同的MOB占据了氧气-甲烷界面上方和下方的甲烷缺乏和缺氧部分。该界面有时包含其他分类单元。在主要的Methylococcales中，未培养的分类单元（CABC2E06）主要出现在甲烷缺乏的条件下，而Crenothrix相关的分类单元则倾向于缺氧的条件。在四个湖中的两个，Candidatus Methylomirabilis limnetica（NC10phylum）大量聚集在缺氧部分。 研究者们认为，湖泊中的甲烷过滤器是结构化的，并且MOB可能依赖于生态位适应来沿着氧气-甲烷反向梯度进行甲烷氧化。MOB的生态位分配可能支持更大的总体资源消耗，从而提高了湖相甲烷滤池的高效性。
论文ID
原名：Niche partitioning of methane-oxidizing bacteria along the oxygen–methane counter gradient of stratified lakes
译名：甲烷氧化菌在层状湖泊中沿氧-甲烷反梯度的生态位划分
期刊：The ISME Journal
IF：9.493
发表时间：2019.10
通讯作者：Magdalena J. Mayr
作者单位：Department of SurfaceWaters—Research and Management, Eawag, Swiss Federal Institute of AquaticScience and Technology, Kastanienbaum, Switzerland
实验设计
图 1 本实验的简要流程
结果
1 当李晓峰成为sky氧气-甲烷的反向梯度和潜在甲烷氧化细菌生态位的定义
所有四个湖泊中，都发现了垂直的氧气-甲烷反梯度。氧气随着深度的增加而减少，而甲烷
在缺氧部分增加胡晓桃（图2a）。潜在的生态位是根据不同的资源可用性定义的。甲烷不足但氧的生态位过多（橙背景，图2）被定义为从最浅的样品到深度下降的部分，其中氧降至1μmolL-1以下（虚线）或甲烷浓度开始下降相对于上述样本增加（Rotsee）。甲烷基本上没有超过~1μmolL-1。缺氧且甲烷生态位过量（蓝）被指定为氧气低于1μmolL-1且甲烷水平相对于上述样品升高。这些主要区域之间的界面具有不同的特性：在Rotsee中，氧气和甲烷浓度> 1μmolL-1（绿）时重叠。相反，在其他湖泊中，观察到甲烷-氧气间隙，两种底物（灰）的浓度都检测不到或非常低（< 1μmolL-1）。拟定的生态位在底物浓度方面具有内部梯度，因此不能视为内部均质的生境。
图2 具有代表性的甲烷营养型16S rRNA基因ASVs在Rotsee，Greifensee，LakeZug和Lake Lugano沿氧气-甲烷反梯度垂直分布模式。a化学概况。水平虚线表示氧消耗的深度为< 1μmolL-1。建议的生态位以橙，绿，灰和蓝突出显示。对于CH4，NO3-和NO2-，未显示低于定量极限的值。注意，Lake Lugano未测出NO2-。注意，在Greifensee中未对界面进行采样，但会指示生态位。记住不同深度的Y轴刻度（m），不同湖泊的X轴刻度（浓度）。bMethylococcales和Ca. Methylomirabilis limnetica在细菌16SrRNA基因序
列的比例。c描绘了项目成本管理论文d中每个集中最丰富的ASV，代表了各个集的分布。最上方显示了每个ASV范照兵是谁的秘书与所有细菌16S rRNA基因序列相比的最大相对丰度。颜是ASV特定的。d基于Pearson距离的MOB16S rRNA基因ASVs相对丰度垂直分布模式的聚类分析。深灰框表示已识别的集。比例尺显示Pearson距离。Lake Zug中Ca. Methylomirabilis limnetica相对丰度的原始数据，NO3-和CH4数据已被之前在支持信息中发布的图片中使用[10]。
2 16S rRNA基因测序对MOB多样性的分析
为了在一般细菌落的背景下识别和研究MOB，首先使用了细菌16SrRNA基因测序。这种方法表明，在所有调查的湖泊样品中均存在与Methylococcales（Gammaproteobacteria）相关的MOBASVs，而Ca.Methylomirabilis limnetica (NC10 phylum) 仅在贝尔实验室Lake Zug和Lake Lugano的样品中检测到（图2b）。总结两个进化枝的ASVs，在特定深度的MOB的最大相对丰度在Rotsee中为11％，在Greifensee中为15％，在Lake Zug中为21％，在Lake Lugano中为26％。在湖泊之间，同时发生了独特的和共享的ASVs（图3a）。
Ia型Methylococcales在MOB组合中占主导地位。然而，进化枝由几个不同属的30个ASV
s组成（图4a），它们的相对丰度在不同的湖泊和深度之间差异很大（图2c）。只有Greifensee还带有一种Ib型Methylococcales（ASV_1566，图4a）。原始数据中偶尔会出现Alteproteobacterial MOB序列，但从未超过过滤阈值。与Ca.Methylomirabilis limnetica具有100％序列同一性的ASV_18在Lake Zug和Lake Lugano中分别达到了16S rRNA基因读值的6％和11％（图2b）。目前已知的Ca.Methylomirabilis limnetica需要亚硝酸盐氧化甲烷。亚硝酸盐在Lake Zug中的3处深度超过定量极限（LOQ，0.4μmol L-1），但在Lake Lugano没有测定方法（图2a）。硝酸浓度在Lake Zug和Lake Lugano中随深度降低，在后者的缺氧部分低于定量限(< 4μmol L-1) (图2a)。因此，硝酸盐还原微生物可能提供亚硝酸盐。
图3 Venn图显示4个湖泊中共有的基于16S rRNA的MOB ASVs（a）和基于pmoA mRNA的氨基酸ASVs（b）数量。R= Rotsee, G = Greifensee, L = LakeLugano, and Z = Lake Zug。ASV和aaASV标识在方框中列出，并相应地着。
3 MOB ASVs的深度分布和生态位偏好
接下来，分析了每个湖中已识别出的MOBASVs沿氧气-甲烷反梯度的深度分布。基于Pearson距离的深度分布（相对丰度标准化为最大值）的分层聚类显示，ASVs的组沿其分布的反梯度和宽度在其分布模式方面有所不同，均指示了生态位分区。在所有湖泊中都可以到符合潜在生态位偏好的分布模式（图2d）。例如，在Rotsee中，由ASV_5，ASV_35，ASV_8和ASV_4（图2c，Rotsee）表示的组的相对丰度每个都显示出具有深度的宽泛，大致单峰分布。但是，最大
以及各自分布的大部分别集中在反梯度的甲烷不足部分（ASV_5），与氧气-甲烷重叠的界面（ASV_35），下面的界面（ASV_8）和氧气不足的部分（ASV_4）。在其他湖泊中，甲烷和氧气也没有重叠，在界面上也观察到了分类单元的峰值，但是这些并不是界面专有的。相反，Lake Zug中的几个ASV没有显示明确定义的丰度最大值或趋势（ASV_39，ASV_67，ASV_4和ASV_15，图2c）。
4 16S rRNA测序分析潜在活性MOB
根据以上分析，MOB遍及整个反梯度中，包括资源浓度低的部分，这引发了有关这些种代谢状态的疑问。因此，我们对与DNA同时提取的RNA进行了16S rRNA扩增子测序，以
评估蛋白质合成潜力。MOB rRNA ASVs的深度分布似乎与上述rRNA基因分析高度相似（图2c），这反映了每个湖中16SrRNA基因总和与rRNA MOB相对丰度的强相关性（Spearman的rho = 0.73–0.99，p < 0.001，表1）。同样，在每个湖泊中，基于单个MOBASVs的相对丰度的rRNA基因与rRNA绝对式角度编码器之间也存在显着相关性（Spearman的rho = 0.88–0.95，p < 0.001）。这表明观察到的MOB保持了其蛋白质合成的潜力，并且具有潜在的活性。
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