稀有微生物群落研究進展

關健飛 沈智超 曹陽

摘要：微生物對人類生活和全球生物地球化學循環存在深刻影響，其中稀有微生物群落是評價微生物多樣性的重要因素，是微生物遺傳和功能多樣性的存儲庫，具有驅動地球化學循環、指示環境變化、降解污染物、穩定群落結構等重要功能。介紹了稀有微生物群落的相關概念、類型、研究方法、存在機制及功能作用，為進一步研究微生物的生物地理學、探索微生物基因組等提供參考。

關鍵詞：稀有微生物;群落;稀有性;類型;功能

中圖分類號：Q939 ? ? ? ? 文獻標識碼：A

文章編號：0439-8114（2020）15-0005-07

Abstract： Microbes have a profound impact on people′s lives and they also affect the global biogeochemical cycle. A rare microbial community has an important ecological role， in evaluating microbial diversity， a repository with genetic and functional diversity， and serves severe important functions， such as driving the geochemical cycle， responding to environmental changes， degrading pollutants， and stabilizing the community structure. The concept， types， research methods， existing mechanism and function of rare microbial community were introduced， which could provide reference for further study of microbial biogeography and exploration of microbial genome.

Key words： rare microorganism; community; rarity; type; function

環境中具有典型的物種豐度分布偏斜特征，表現為相對高豐度的少量優勢物種與相對低豐度的大量稀有物種共存[1]。稀有種群作為地球生態系統中至關重要但又脆弱的組成部分，在生物地球化學循環中扮演著重要的角色，是微生物群落功能的一個潛在驅動力[2]。雖然現階段對稀有微生物群落的關注與日俱增，但大部分研究仍以優勢物種為基礎[3]。主要是由于優勢微生物的豐度變化往往會掩蓋低豐度類群的種群動態，導致其被忽視。但隨著科學技術的發展，低豐度微生物群落的進一步測定分析成為可能，繼而發現稀有微生物圈物種也可以作為關鍵物種，對生態系統做出重要貢獻[4-7]。有研究表明，稀有微生物群落雖然所占豐度比例較低，卻是α多樣性和β多樣性的重要貢獻者[8]，物種多樣性能夠影響群落的穩定性和恢復能力，這意味著低豐度群落在維持生態系統健康方面具有重要作用和意義[3，9，10]。此外，稀有微生物群落的豐度還可以反映環境的選擇[11，12]，也可以代表一種特殊的生物地理學環境[13-16]，它們的存在與獨特的豐度分布和系統發育組成有關[17]，當稀有微生物作為關鍵物種存在時，其對生態系統能夠產生巨大的影響[18-20]。

1 稀有微生物群落的定義

稀有性可能是隨機過程[21]、生命史策略的內在權衡[22]以及生物與非生物相互作用[23，24]的結果。稀有性可以通過多種方式來定義，如局部豐富度、棲息地特異性、地理分布等[25]，在微生物生態學中，局部豐度（Local abundance）是衡量物種稀有性最簡單、最常用的指標[2]。高通量測序技術（HTS）分辨率的不斷提高，為微生物多樣性的研究提供了新的支持[26]。核糖體RNA小亞基序列（SSU-rRNA）基因測序[27]開發的幾種HTS方法揭示了大量的低豐度微生物類群的存在。在這些數據中定義稀有微生物群落使用的方法包括相對豐度截止值（<0.1%[28，29]或<0.01%[17]）、生成數據集的序列計數（如每個樣本2個序列[30]）和經驗閾值[31，32]。無論用于定義稀有性的閾值如何選擇，基于標記基因測定的微生物群落豐度分布通常顯示出低相對豐度操作分類單元（OTUs）的長“尾巴”，這條“尾巴”即為稀有微生物群落，它的長度和形狀取決于樣品群落的多樣性和基本物種的豐度分布[33-35]。不同的樣品中稀有微生物相對應的長尾的大小存在差異，一般高多樣性微生物的樣本“尾巴”更長[3]。

2 稀有微生物群落分類及存在機制

根據相對豐度的周期性變化，Lynch等[3]將稀有微生物群落分為5類（圖1）。第一類屬于r-策略者，該類群微生物的豐富度可以在豐富和稀有之間進行周期性的變換，這種變換取決于周期性的環境調節，如溫度、季節等。第二類屬永久稀有類群，雖然表現出周期性的豐度變化，但卻始終以低相對豐度存在，并且相對豐度能夠對k-選擇變化作出反應，該類群占據狹窄生態位。第三類同樣屬于r-策略者，但與第一類的區別在于該類群只是偶爾以相對罕見的高豐度持續存在，歸因于對偶爾或隨機的環境變化做出反應，如降水、壓力等。第四類同樣屬于永久稀有類群，包括可能的關鍵物種，表現出持久的豐度變化不明顯的低豐度分布，占據狹窄生態位。第五類屬于暫時類群，只是偶爾出現，但相對豐度在稀有范圍內，其存在的持久性取決于合適的繁殖和生存條件。稀有性生物圈中周期性或偶發性出現的類群可以被認為是有條件的稀有分類群。

稀有性可能是隨機過程，簡單地通過隨機的種群波動而出現，不存在任何特定的生理特征[21];也可能是物種在進入新群落時，由于數量上的差異表現出來的稀有;同時外在的非生物和生物因素在物種稀有性中起著關鍵作用。Jousset等[2]認為導致微生物局部稀有的可能潛在機制主要包括4個方面：狹窄的生態位（圖2a）、高度的種間競爭（圖2b）、低競爭能力（圖2c）和捕食頻率（圖2d）。功能高度專一化的物種只有在特定的適宜環境下才能大量存在，而在大多數環境中以稀有形式存在，生態位狹窄（圖2a）。生物相互作用在解釋稀有性方面也有重要意義，對于那些競爭能力弱、無法構建生物膜等保護性結構或無法利用關鍵資源的微生物而言，隨著競爭對手的增加，其豐富度下降（圖2b）。一個對于資源沒有競爭力的物種可能經常保持稀有而不滅絕狀態（圖2c）。許多微生物在大多數情況下通常都是不活躍的，豐度很低，只有在更有利的條件出現時才逐漸占優勢（圖2d），例如某些物種過度地捕食其他物種為稀有物種留下生存的空間，導致稀有物種相對豐度的增加。

3 稀有微生物群落的研究方法

復雜的微生物群落包含大量的低豐度物種且低豐度物種占有相當大的比例。研究表明稀有微生物圈包含關鍵物種，并充當基因組多樣性的儲存庫以促進群落的適應能力。所以說稀有微生物圈在一定程度上控制著微生物群落，并占據重要的生態位。如表1所示，傳統的純培養技術在研究高度多樣化環境（如土壤）中的微生物時具有重要價值[36，37]，因為在培養中獲取的稀有物種能夠進行特定的生理生化試驗，結合單細胞基因組學和重建基因組學可以深入了解它們的功能作用，然而傳統培養技術卻也在一定程度上限制了人類對稀有微生物群落的理解。高通量測序技術的發明和改進使得微生物群落結構的深入分析成為可能[38-42]。但測序顯示的是特定時間地點存在的物種，提供有關特定物種或群落潛在功能的有用信息仍需通過試驗來驗證完成;并且測序數據分析過程中的人為處理導致細菌群落中大量先前未被發現的稀有物種消失，使得稀有群落在各種生態系統中的功能的重要性無法探知。因此，將傳統培養方法與現代測序技術相結合，比單獨采用一種方法更能夠描述稀有微生物群落的多樣性[43-47]，再加上細胞分離、基因組恢復、多重置換擴增、穩定同位素探測、功能性亞基因組學、稀有類群的靶向擴增和培養、共生網絡和指示物種分析等技術手段，可以更全面地了解稀有微生物圈在微生物群落中的分布和作用[3]。

4 稀有微生物群落的功能作用

稀有物種可以驅動地球化學循環的關鍵過程，能夠響應并適應環境的變化，是溫室氣體產生與消耗、污染物降解的參與者。它們可以通過阻止新物種的入侵來影響群落的聚集，并在波動的環境中穩定群落。此外，稀有微生物能夠阻止病原菌群落的建立和刺激宿主發生免疫反應，是動植物宿主相關微生物群的重要組成部分。

4.1 驅動地球化學循環

微生物是驅動地球生物地球化學循環的重要引擎[48]，物質循環過程中，稀有微生物種屬能夠產生巨大影響。研究發現，高活性的稀有關鍵物種Chromatium okenii屬（約占細胞總數的0.3%）貢獻了系統中40%以上的銨和70%以上的碳的吸收量，對環境介質中氮和碳的吸收至關重要[49]。Zhang等[50]研究發現土壤稀有微生物（細菌和真菌）在調節土壤有效氮含量方面作用明顯。反硝化菌的減少導致土壤中潛在的反硝化活性顯著降低[51]。稀有微生物還能夠還原硫酸鹽，進而抑制甲烷的排放。在缺氧環境中，亞硫酸鹽和硫酸鹽還原微生物（SRM）能夠將硫和碳的循環聯系在一起，Vigneron等[52]對14個生態系統樣品中的SRM研究發現，環境變化導致SRM分布不斷擴大，其中96%以上可被視為稀有生物圈的SRM。泥炭地硫酸鹽的減少可以大大減少甲烷的排放。Hausmann等[53]對泥炭地中異養硫酸鹽還原研究發現，低豐度OTUs（<1%的基因組豐度）對硫酸鹽的添加有顯著反應。這些OTUs包括已知的硫酸鹽還原類群，如脫硫孢子菌、脫硫弧菌等，也包括未知硫酸鹽還原劑或其代謝相互作用類群。Pester等[54]在泥炭地長期試驗場中同樣發現，一種僅占微生物群落16S rRNA基因總數0.006%的脫硫孢子菌是一種重要的硫酸鹽還原劑，能夠轉化碳流，改變它們對全球變暖的影響。

4.2 指示環境變化

稀有微生物群落對環境變化敏感[24]。目前與人類活動有關的環境變化，如全球氣候變化、土地集約利用等，均能夠對稀有生物圈和相關的生態系統功能產生影響[55]。監測稀有微生物群落相對豐度或活性的變化可以作為環境變化的早期預警[56]。在水環境介質中，研究發現短時間內環境的變化能夠改變鹽沼上覆水體中稀有類群（<1%總豐度）的群落結構[57]，水體理化性質的變化能夠改變稀有浮游細菌群落結構，總磷、銨態氮和葉綠素是制約水環境中稀有類群變異的主要環境因子[58]。Wang等[59]研究發現稀有類群有助于微生物群落對水體里的有機污染物做出反應。在土壤環境介質中溫度改變后，能夠使稀有細菌群落進行重新組合[60]。Bartram等[61]對蘇格蘭克雷布斯通實驗農場土壤中的微生物研究發現，傳統分析方法無法識別的OTUs與不同的pH具有相關性。因此，稀有類群有助于提高微生物群落對環境擾動的響應，加強稀有微生物的研究，對于更好地理解微生物多樣性的價值具有重要意義。

稀有微生物群落還可以提供一個長期支持生態系統穩定的生物庫，響應干擾并適應干擾。干擾改變微生物群落組成，影響生態系統潛在過程。生態系統適應環境擾動的能力取決于干擾持續的時間和強度以及系統整體的生物多樣性[62]。Gomez-alvarez等[63]研究顯示稀有類群在模擬飲用水分配系統中受到干擾（消毒、改變運行參數、生物膜階段）時，結構發生變化，但卻能夠恢復到穩定狀態。而Sj?stedt等[64]研究表明干擾（鹽度變化）能夠對浮游細菌群落組成造成影響，稀有類群在受到干擾后變得更加豐富，而這些稀有浮游細菌在維持生態系統功能過程中具有重要作用。

4.3 參與溫室氣體甲烷的產生與消耗

Yang等[65]以mcrA基因為靶點對環境中的稀有產甲烷古菌進行研究發現，在考慮稀有類群的情況下，α多樣性與甲烷的產生呈正相關，條件稀有產甲烷類群在很大程度上解釋了稀有微生物圈的整體群落動態，并可能在有利的環境條件下轉化為優勢群落。Sierocinski等[66]研究發現天然群落的初始組成與甲烷產量之間沒有相關性，但在實驗室條件下進行生態選擇后，稀有物種在甲烷生成群落中起著重要作用，與甲烷產量之間呈現正相關關系;認為產甲烷菌群幾乎沒有功能上的冗余，因此，在厭氧消化過程中，繁殖條件變化造成的多樣性損失都有可能減少甲烷的產生。而Wagner等[67]對北極阿拉斯加土壤中產甲烷微生物進行研究，結果與Sierocinski等[66]不同，認為產甲烷菌可能存在高度的功能冗余，稀有物種豐度可能是微生物群之間的驅動力，影響北極甲烷產量。而Bodelier等[68]在研究微生物群落結構組成在調節河漫灘甲烷排放中的作用時發現，河岸濕地甲烷消耗的動態和強度與甲烷氧化菌（MOB）相對豐度和活性有關，MOB作為該生態系統中微生物群落的次要組成部分，其多樣性參數與體外甲烷消耗量呈線性關系。

4.4 降解污染物

微生物多樣性的減少會降低污染物的降解[69]。Wei等[70]應用培養技術和16S rRNA測序技術對污泥中膽固醇厭氧降解途徑的研究過程中發現，膽固醇的降解能力為某些稀有微生物種群所保留。稀有物種可能是提供了催化復雜降解過程所需的基因庫，即污染物通常是由原始樣品中低于檢測限的物種完成降解[71]。這種解釋得到了Fuentes等[72]的驗證，其研究土壤微生物群落在石油烴污染及不同生物修復處理下短期動態變化過程中發現，試驗中受柴油污染的土壤中都觀察到一種天然的γ-蛋白桿菌迅速而顯著增長的情況，該操作分類單元在試驗初期相對豐度僅占0.1%，但在6周后竟高達60%以上。這種從稀有到豐富的豐度的轉變，說明了稀有微生物群落在面對環境干擾時的潛在作用。

4.5 保障機體/環境健康

小麥根際致病菌銅綠假單胞菌的入侵會隨著微生物多樣性的降低而增加，入侵程度與微生物多樣性成反比[73]，高多樣性的土壤微生物群落是防止李斯特菌入侵的生物屏障[74]。Gera Hol等[75]在量化稀有種群在生態系統中作用的過程中發現，土壤稀有微生物群落能夠增加植物的防御能力，在作物保護中發揮作用。低豐度菌群在植物根際代謝活躍，是植物根際細菌群落組成的主要驅動因子[76]，在一定程度上稀有菌群有助于植物葉面積和根長等性狀的表達[77];稀有物種的喪失會影響植物的生產力[78]。綜上所述，稀有微生物群落在控制有害微生物的入侵、保障機體/環境健康等方面起到了至關重要的作用[79，80]，分析原因可能是由于其占據了關鍵生態位，減緩了入侵物種群落的建立[81]。

5 總結和展望

近年來，稀有微生物群落的生態學意義和潛在的進化學意義受到越來越多的關注，以下幾方面問題亟需解決。①稀有微生物群落在分類上存在盲點，識別和解決這些盲點將有助于發現新的系統發育譜系。②隨著測試手段的不斷創新，數以百萬甚至千萬的低豐度序列會被發現，測試結果中大部分OTUs屬于稀有微生物部分，且很大一部分基因序列未被分類。如何科學有效地處理和分析這些數據，這些基因序列對應著怎樣的功能，如何使這些基因序列為人類所用，都值得研究。③不同環境中稀有微生物種群究竟以怎樣的存在方式發揮作用，是否存在功能上的冗余;對于全球氣候的變化稀有微生物群落又起到怎樣的作用?，F階段人類可能只觸及稀有微生物的表面，稀有微生物很可能包含比迄今為止所發現的更多的多樣性。因此，有關稀有微生物的分類學、基因組學和生態學還需進一步探究。

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