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南京土壤所揭示复杂土壤环境中古菌化能无机自养代谢类型

来源:南京土壤研究所
摘要:我国土壤类型多样,地理分异特征明显。大空间尺度上环境条件变化如何影响小尺度下的土壤微生物群落结构与功能的演化,即是科学前沿,也是研究难点。例如,最近西班牙研究人员发现在海洋环境中,由于NH3极度匮乏,导致氨氧化古菌长期适应底物胁迫逆境,发展了尿素水解为基础的古菌氨氧化代谢途径......

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我国土壤类型多样,地理分异特征明显。大空间尺度上环境条件变化如何影响小尺度下的土壤微生物群落结构与功能的演化,即是科学前沿,也是研究难点。例如,最近西班牙研究人员发现在海洋环境中,由于NH3极度匮乏,导致氨氧化古菌长期适应底物胁迫逆境,发展了尿素水解为基础的古菌氨氧化代谢途径(Alonso-Sáez et al. 2012. PNAS. 109: 17989),这一新的古菌微进化机制被PNAS同期论文点评(Kirchman 2012 PNAS. 109: 17732)。与大部分海洋环境类似,酸性土壤中NH3浓度极度匮乏,仅在nM水平。地球陆地表层30%左右的土壤偏酸性,而我国pH在4.5-5.5之间的铁铝酸性土壤约占全国土地总面积22.7%,但古菌如何适应酸性土壤的底物胁迫,是否具有尿素水解为基础的氨氧化代谢路径,目前仍不清楚。2012年,贾仲君课题组联合中国农科院茶叶研究所,采用高度灵敏的15N示踪和高通量测序技术,证实复杂的自然土壤环境中存在尿素水解为基础的古菌氨氧化过程。研究结果被国际微生物生态杂志刊发(Lu et al. 2012. ISMEJ 6: 1978),然而,复杂环境中,古菌脲酶作用机制仍不清楚,复杂环境中活性的氨氧化古菌是否具有脲酶基因,仍未见报道。

最近,中科院南京土壤研究所贾仲君课题组利用稳定性同位素13C-示踪酸性土壤氨氧化古菌核酸DNA,揭示了复杂土壤中活性氨氧化古菌的系统发育地位,进一步利用高通量测序技术,发现活性氨氧化古菌含有脲酶基因,表明氨氧化古菌具有脲酶水解的遗传基础。采用13CO2和尿素培养两种酸性土壤8周后,酸性古菌在土壤中大量生长,其核酸DNA被13C-标记,通过超高速等密度梯度离心获得氨氧化古菌的13C-DNA,结合新一代高通量测序等技术,在多基因水平清楚揭示了古菌主导酸性土壤氨氧化的生态过程,并可能在NH3长期胁迫条件下进化出了脲酶水解基因。进一步的乙炔生理抑制实验表明:土壤古菌生长所需的能量完全依赖于氨氧化,清楚揭示了复杂土壤环境中古菌化能无机自养代谢类型。研究结果最近被《环境微生物》杂志(Environmental Microbiology.)在线刊发。 

据估算,全球每年大约1亿吨氮肥进入农田生态系统,约占全球氮输入量的25%强。我国氮肥年施用量高达2600万吨,其中绝大部分氮肥以尿素形式进入土壤。该研究成果拓展了复杂酸性土壤环境中古菌的代谢多样性,初步揭示了氨氧化古菌适应底物胁迫环境的微进化机制,为未来准确评估酸性土壤氮循环及其农业与环境效应提供了科学依据。目前,国际NCBI数据库中氨氧化古菌脲酶基因绝大部分来自该课题组的实验。

作者: 2013-1-16
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