编辑推荐：
本研究通过长期土壤变暖实验，揭示微生物在基因组层面的适应性进化，为理解土壤生态系统对气候变化的响应提供重要依据（气候变化（Climate Change））
通过对长期气候变暖实验中土壤微生物的基因组学研究，揭示了微生物在基因组层面的适应性进化特征，为理解土壤生态系统对气候变化的响应提供了新的视角和重要依据。研究结果表明，微生物在长期变暖条件下展现出了一系列与生长效率、碳利用和氮代谢相关的基因组特征变化，这些变化可能对土壤生态系统的功能产生深远影响。
研究背景
土壤微生物在生态系统中扮演着关键角色，它们参与碳、氮等元素的循环，维持土壤健康和生态系统稳定。然而，随着全球气候变暖，土壤温度升高对微生物群落结构和功能产生了显著影响。长期气候变暖可能导致土壤有机碳分解加速，增加大气中二氧化碳（CO?）的排放，进一步加剧气候变化。因此，研究微生物对长期气候变暖的适应性进化，对于预测土壤生态系统在气候变化背景下的未来走向具有重要意义。
实验设计与方法
本研究基于哈佛森林长期土壤变暖实验（Harvard Forest Long-Term Ecological Research, LTER），该实验自1991年开始，通过在温带森林土壤中埋设加热电缆，将实验地块的土壤温度持续维持在比对照地块高5°C的水平。研究人员从2013年至2020年间，从加热和对照地块中分离出多种细菌，并对其基因组进行了测序和分析。研究重点关注了对变暖敏感的细菌类群，包括放线菌门（Actinobacteria）、α-变形菌门（Alphaproteobacteria）和β-变形菌门（Betaproteobacteria）中的优势类群。
基因组特征与适应性进化
通过对91个细菌基因组的比较基因组学分析，研究人员发现长期变暖对微生物基因组特征产生了显著影响。尽管不同类群的基因组特征存在差异，但总体上，加热地块的微生物基因组表现出以下适应性进化趋势：
基因组结构变化：长期变暖导致微生物基因组的开放性（openness）和闭合性（closedness）发生变化。例如，某些类群的基因组中核心基因簇（Core Gene Clusters）比例增加，而另一些类群的附属基因簇（Accessory Gene Clusters）和单基因簇（Singletons）比例增加。这种变化可能与微生物对变暖环境的适应性进化有关，例如通过增加核心基因簇的比例来提高基因组的稳定性和适应性。
功能基因富集：加热地块的微生物基因组在功能基因方面表现出显著的富集趋势。特别是与碳代谢和氮代谢相关的基因簇在加热地块的微生物基因组中更为丰富。例如，加热地块的微生物基因组中与中央碳水化合物代谢和氮代谢途径相关的基因簇相对富集，而对照地块的微生物基因组中则相对富集氨基酸和脂肪酸代谢途径的基因簇。这种功能基因的差异富集可能反映了微生物在长期变暖条件下对碳和氮利用策略的调整。
密码子使用偏好（Codon Usage Bias, CUB）变化：长期变暖还导致微生物基因组的密码子使用偏好发生变化。研究人员发现，加热地块的微生物基因组在核心基因和附属基因中均表现出较低的密码子使用偏好，这可能与微生物在变暖环境下的生长效率和资源利用策略有关。例如，较低的密码子使用偏好可能表明微生物在变暖条件下更倾向于利用有限的资源进行生长和繁殖，从而提高生长效率。
生态系统功能的潜在影响
微生物基因组的适应性进化可能对土壤生态系统的功能产生深远影响。例如，加热地块微生物基因组中与碳代谢和氮代谢相关的功能基因富集，可能表明微生物在长期变暖条件下更倾向于利用复杂的碳和氮化合物，从而影响土壤中碳和氮的循环过程。此外，微生物基因组的密码子使用偏好变化可能影响微生物的生长速率和资源利用效率，进而影响土壤生态系统的整体功能。
结论与展望
本研究通过长期土壤变暖实验，揭示了微生物在基因组层面的适应性进化特征，为理解土壤生态系统对气候变化的响应提供了重要依据。研究结果表明，微生物在长期变暖条件下展现出了一系列与生长效率、碳利用和氮代谢相关的基因组特征变化，这些变化可能对土壤生态系统的功能产生深远影响。未来的研究可以进一步探索微生物在不同生态系统中的适应性进化机制，以及这些变化对生态系统功能的具体影响，从而为应对气候变化提供科学依据。
