南极冰雪界面有色雪生态系统研究取得进展

       随着气候变化加剧，“红/绿雪”在南极区域性爆发引起了越来越多公众和科学家的关注。雪藻是“红/绿雪”中重要的初级生产者，与细菌、真菌、原生生物等共同维持着雪冰圈的生物地球化学循环。伴随不断变化的栖息生境，雪藻演化出多样的适应性功能，它们可以高效合成色素、分泌抗冻蛋白，从而降低雪冰反照率，加速雪冰融化，对雪冰圈产生反馈作用。“探查雪藻功能和遗传多样性，助力于揭示雪藻快速响应雪冰圈变化的机理，解析雪藻群落与雪冰圈动态变化的互作机制”成为极地生态科学前沿研究热点之一。

       Luo等（2020）综合显微观察及高通量测序方法分析了南极菲尔德斯半岛地区红、绿雪中的微生物多样性，并结合红、绿雪的物理、化学因子进行关联性分析（图1）。结果显示真核雪藻类Sanguina，Chloromonas，共球藻纲(Trebouxiophyceae), 是其中3个红雪的主要微藻类群；从另一个红雪样品中“Chlainomonas”是主导藻类。且雪藻Sanguina和Chlainomonas均为首次在南极报道发现。绿雪中的藻类主要由共球藻纲(Trebouxiophyceae)，石蒓纲Ulvophyceae和金藻Chrysophyta组成。与有色雪藻主要关联的微生物群落为变形菌门Proteobacteria和拟杆菌门 Bacteroidetes。其中极地单胞菌属Polaromonas （β-变形菌纲）是有色雪样中的最优势类群，特异性的藻菌关联亦是支撑雪藻爆发性生长的关键因子之一（韩玮等，2023）。其他可能参与有色雪藻发生的环境因子如湖水、土壤营养输入，温度，藻类孢子的传输等，有助于科学理解有色雪在南极区域性爆发的机理机制，及雪藻的生物地理分布等。

图1. 南极菲尔德斯半岛有色雪的主导微藻群落结构（Luo et al., 2020）

       抗生素抗性基因(ARGs)具有自然和人为双重来源，其广泛分布和传播是全球健康危机之一。许多原始自然环境已被证明是ARGs的储藏库， ARGs在极地的分布尤其值得关注。极地“红/绿雪”中ARGs的多样性、组成和动态尚未得到研究。近日，自然资源部极地科学重点实验室罗玮研究员，联合中科院南京地理与湖泊研究所任泽研究员，通过对有色雪宏基因组数据挖掘，比较分析了菲尔德斯半岛采集的红色雪和绿色雪的抗性基因（图2）。结果显示，在所有样本中共检测到525种抗性基因，属于30个抗生素类。这些抗性基因有一半(49.9%)出现在所有样本中。与红雪相比，绿雪显示出更多的ARG多样性。丰度较高的ARGs对很多常用的抗生素具有抗性，包括多药、消毒剂和防腐剂、多肽类、异烟肼、三类抗生素（MLS）、氟喹诺酮、氨基香豆素等。其中，多药耐药基因最为多样和丰富，抗生素外排是主要的耐药机制。在绿雪中，丰度最高的10个ARGs为evgS, sav1866, macB, Saur_rpoC_DAP, patA, mfd, Mtub_katG_INH, PmrA, mdtC, and mdtB。在红雪中，丰度最高的10个ARGs为evgS, followed by sav1866, Saur_rpoC_DAP, Mtub_katG_INH, macB, patA, mfd, alaS, mdtB, and mdtC。进一步分析发现，绿雪中ARG的组成与红雪中明显不同。对于β多样性而言，嵌套性(nestedness)在绿雪中贡献度更高，周转(turnover)在红雪中贡献度更高。这说明从绿雪到红雪的转变过程中，ARG组成变化的驱动机制不同，ARG组成的变化受到越来越强的环境分选的压力。此外，ARGs与细菌的共生网络分析揭示了复杂的关系，强调了微生物群落中ARG宿主的多样性。结果表明一些ARGs可具有多个潜在宿主，而一些细菌可携带有多重抗性基因。绿雪和红雪共生网络的差异表明，不同类型雪中ARGs和细菌之间存在迥异的宿主关系，这种动态重组可能源于环境条件或微生物竞争的变化。由于气候变化压力显著增加，世界各地高山及两极彩色雪的出现频次越来越高，本研究首次揭示了南极绿色和红色雪中ARGs的奥秘，并为潜在的环境影响提供了数据支撑。为我们理解全球气候变化背景下的微生物多样性提供了宝贵的视角。

图2. 南极菲尔德斯半岛采集的红/绿雪的抗性基因分析（Ren et al., 2024）

       该研究成果发表在Science of the Total Environment（JCR1区，环境科学）上，第一作者为中科院南京地理与湖泊研究所任泽研究员，唯一通讯作者为自然资源部极地科学重点实验室罗玮研究员。本研究受到国家自然科学基金委员会重大研究计划 “水圈微生物驱动地球元素循环的机制”重点支持项目“雪藻驱动极地碳循环及适应低温和高辐射的机制”（No. 91851201）、自然资源部极地科学重点实验室开放基金（KP202201）的支持。本研究依托南极长城生态国家野外科学观测研究站实施现场科考保障，特别感谢李文俊博士在36次南极长城度夏考察期间采集菲尔德斯半岛有色雪藻样品。

研究成果：

       1）Z Ren, HR Li, W Luo*, 2024. Unraveling the mystery of Antibiotic Resistance Genes in Green and Red Antarctic snow. Science of the Total Environment. Accepted.

       2) 韩玮，袁依杨，李邰宇，曾胤新，罗玮*（2023），北极新奥尔松地区有色雪中的微生物多样性. 极地研究, 35(3): 405-414.

       3）W Luo*, HT Ding, HR Li, ZQ Li, KY Huang, WY Zhao, Y Yu, YX Zeng. 2020. Molecular diversity of the microbial community in coloured snow from the Fildes Peninsula (King George Island, Maritime Antarctica). Polar Biology. DOI 10.1007/s00300-020-02716-0