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土壤微生态研究案例解析

来源：花匠小妙招时间：2024-11-09 05:27

一、土壤微生物多样性形成与维持机制

植物群移出导致的植物生产力降低限制的土壤微生物功能多样性

二、土壤元素循环的微生物驱动机制

通过微生物基因组揭示含水层系统中相互关联的地球生物化学过程

三、土壤微生物组的资源与环境功能

新型土壤细菌具有不同的次生代谢物生物合成基因

四、土壤微生物组的新技术及应用

关于这第四个命题，我们今天分享一篇非常经典的多组学文章。

虽然这篇文章发表在2015年，但经典就是经典，模仿者前仆后继足以说明这篇文章的影响力有多大了。

测序平台：

454 platform for 16S rRNA sequencing

Illumina GAII sequencing platform (PE113) for metagenome sequencing

Illumina HiSeq (PE150) for metatranscriptome sequencing

HPLC-MS/MS for metaproteome research

研究背景：

超过20%的地球陆地表面被富含碳的冻土所覆盖，未来这些冻土一旦解冻将成为生物圈向大气层转移碳的最大的代表。这种过程很大程度上依赖于微生物的反应，但是我们对于完整的微生物的活动所知甚少，更不用说融冻过程及冻土了。最近基于分子生物学手段揭示了一些冻土中微生物的特征及功能基因组成以及在短期解冻实验过程中功能基因组成的快速转变。然而冻土碳的命运依赖于气候、水文及微生物在年代尺度上解冻过程中的响应。本文运用组合的几种分子组学手段来确定微生物群落的系统发育组成，包括几个新物种的基因组草图、微生物群落的功能潜能及在不同解冻状态下土壤（永久冻土、季节性的融冻土及热岩溶沼泽土）中的活动。

研究方法：

分析方案：

研究结果：

1. 以土壤类型及孵化温度为变量使用two-way方差分析Fe（III）的还原、硫酸盐和亚硫酸盐的利用、厌氧条件下反硝化作用和CH4的通量、有氧和厌氧CO2的产量差异（除NO3的减少外，其它过程速率均随温度身高而增加）。

2. 16S、MG、MT数据获得的物种丰度信息具有一致性（r > 0.9 for 16S:MG and MG:MT; r > 0.8 for 16S:MT）。融冻土中具有更丰富的物种及功能多样性，与先前的研究结果一致。

3. 计算：r = MT/MG（Taxon）根本比值来判断物种的相对活性，不同样本类型中活性物种分布不同。

4. 通过MG bins构建的新物种基因组草图中包含许多引人注目的特征，如Fe（III）吸收、转运及还原、N循环、甲烷氧化、甲烷合成等功能，这些结果与土壤过程速率具有良好的相关性。DDH相似度低的基因组bins代表新的物种。

5. 基于MG/MT数据功能分析发现许多基因参与到特殊的生物化学过程，如：反硝化、硝酸盐还原、铁还原及甲烷氧化等，这些结果与过程速率测量结果相一致。其中热岩融沼泽土壤产甲烷功能最高。

6. 相比冻土，融冻土注释到参考基因组上的蛋白更多，表征融冻土中活性物种更丰富。在沼泽土中检测到许多蛋白注释到产甲烷微生物中，如Methanosarcina mazei, Methanosaeta concilii, Methylobacterium nodulans, Methanoflorens stordalenmirensis，表征沼泽土具有很高的产甲烷率。

7. 三种土壤类型共有许多基因、转录本及蛋白。相较于融冻土及沼泽土，冻土独有的转录本较低而蛋白较多。

8. 沼泽土壤中产甲烷/甲烷氧化功能类群相对丰度显著高于冻土及融冻土。

9. 冻土中检测到高丰度的冷休克蛋白，并检测到许多蛋白参与到细胞趋化及运动过程中。相比其它两种类型样本，冻土中只检测到很少类型的转运蛋白。

10. 融冻土中也检测到几种冷休克蛋白，并检测出几种高丰度的转运蛋白，预示着在土壤解冻过程中营养物种运输的巨大的潜在需求。

11. 不同于其他两种类型样本，沼泽土壤中只检测到很少的一部分与耐寒或其他耐受性相关的蛋白。

研究结论：

本文运用组合的几种分子组学手段来确定微生物群落的系统发育组成，包括几个新物种的基因组草图、微生物群落的功能潜能及在不同解冻状态下土壤（永久冻土、季节性的融冻土及热岩溶沼泽土）中的活动。基于多组学研究策略揭示主要生物过程中过程速率与组学数据间良好的相关性，如沼泽中甲烷的生成及冻土中潜在活性微生物的新的生存策略。

参考文献：

Hultman J, Waldrop M P, Mackelprang R, et al. Multi-omics of permafrost, active layer and thermokarst bog soil microbiomes[J]. Nature, 2015, 521(7551): 208-212.

编辑：折耳狗

结语：在此感谢梅花小猪老板赠送的一个大洋，社会了我的佩奇哥！