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案例聚焦 | 揭秘生物地球化學(xué)循環(huán)的微生物引擎

2024-10-04

揭秘生物地球化學(xué)循環(huán)的微生物引擎-(1).jpg

在地球這顆生機(jī)勃勃的行星上，微生物不僅僅是微小的生命體，也是驅(qū)動(dòng)地球生命引擎的隱形巨匠。從深邃的海洋底部到巍峨的山巒之巔，微生物無(wú)處不在。生物地球化學(xué)循環(huán)，這一復(fù)雜而精密的自然機(jī)制，涉及碳、氮、磷、硫等生命必需元素的動(dòng)態(tài)循環(huán)，而微生物作為生物地球化學(xué)循環(huán)的積極參與者和驅(qū)動(dòng)者，扮演著無(wú)可替代的核心角色。例如，通過(guò)硝化作用與反硝化作用，微生物調(diào)控著氮循環(huán)，影響全球氮素的可用性；通過(guò)甲烷代謝作用，它們參與溫室氣體的產(chǎn)生與消耗，間接調(diào)控地球氣候；而通過(guò)分解復(fù)雜有機(jī)物質(zhì)，微生物釋放出的營(yíng)養(yǎng)元素滋養(yǎng)著整個(gè)食物鏈，支撐著生態(tài)系統(tǒng)的生產(chǎn)力與多樣性。


微生物參與生物地球化學(xué)循環(huán)的研究方法

宏基因組

宏基因組技術(shù)手段是對(duì)樣本中提取到的總DNA隨機(jī)打斷并建庫(kù)上機(jī)高通量測(cè)序。因此宏基因組可以揭示環(huán)境中微生物群落的整體遺傳信息，幫助識(shí)別參與特定元素循環(huán)過(guò)程的功能基因和代謝途徑。通過(guò)生物信息學(xué)手段挖掘測(cè)序數(shù)據(jù)，可以篩選出與特定元素循環(huán)相關(guān)的功能基因，如硝化作用和反硝化作用中的氮循環(huán)基因、甲烷代謝基因等。通過(guò)比較不同環(huán)境條件下這些基因的豐度和多樣性，可以推斷元素循環(huán)的活躍程度和潛在的微生物貢獻(xiàn)者。

功能基因群落組成譜測(cè)序

功能基因群落組成譜測(cè)序通過(guò)借助合適的類(lèi)群特異性引物，檢測(cè)菌種特定種類(lèi)/功能微生物的特征序列，反應(yīng)菌群中該特定類(lèi)群微生物的組成結(jié)構(gòu)，分析其分布特征，闡明樣本間多樣性和組成差異。例如通過(guò)借助nifH、nirS、pmoA等引物，可以定向檢測(cè)樣本中具有固氮、反硝化、甲烷氧化功能的微生物類(lèi)群，好比拿了一把“放大鏡”，消除其他不相干微生物類(lèi)群的干擾。

高通量qPCR芯片

高通量qPCR技術(shù)是對(duì)傳統(tǒng)qPCR技術(shù)的一次突破性升級(jí)。高通量qPCR技術(shù)將針對(duì)目的基因設(shè)計(jì)的對(duì)應(yīng)qPCR引物包裝至薄層金屬合金納米孔芯片得到高通量qPCR芯片，通過(guò)SmartChip超高通量熒光定量PCR系統(tǒng)完成。將與生物化學(xué)循環(huán)相關(guān)的功能基因（如C和N的固定、硝化和反硝化、P的活化以及S的形態(tài)轉(zhuǎn)化等）編碼到芯片上，利用功能基因豐度表征土壤元素循環(huán)過(guò)程相關(guān)功能微生物的數(shù)量變化，以及功能基因與土壤性質(zhì)、微生物群落結(jié)構(gòu)間的關(guān)系，進(jìn)而揭示土壤元素循環(huán)過(guò)程的分子機(jī)制。

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微生物參與生物地球化學(xué)循環(huán)的研究案例

案例一

標(biāo)題：基于GeoChip 5.0功能基因檢測(cè)的細(xì)菌在紅樹(shù)林生物地球化學(xué)循環(huán)中的生態(tài)作用

期刊：mSphere

影響因子：3.7

年份：2022.01

研究背景：紅樹(shù)林生態(tài)系統(tǒng)位于陸地與海洋交匯的獨(dú)特環(huán)境中，對(duì)全球碳固定和營(yíng)養(yǎng)元素循環(huán)起著至關(guān)重要的作用。這些生態(tài)系統(tǒng)蘊(yùn)含著豐富的細(xì)菌多樣性，這些細(xì)菌積極參與碳、氮、硫、磷等多種生物地球化學(xué)循環(huán)，對(duì)維持生態(tài)平衡及紅樹(shù)林生態(tài)健康至關(guān)重要。

研究方法：GeoChip 5.0芯片、16S多樣性組成譜（16S V4）

研究結(jié)論：本研究挖掘了中國(guó)南方7個(gè)代表性紅樹(shù)林的細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)和生態(tài)功能。不同紅樹(shù)林的細(xì)菌群落組成差異不顯著，說(shuō)明不同紅樹(shù)林的功能基因不存在地理差異。其中，與碳循環(huán)(特別是碳降解)相關(guān)的功能基因最為豐富，這表明碳降解是紅樹(shù)林中最活躍的過(guò)程。另外，發(fā)現(xiàn)一些高豐度的細(xì)菌種群（包含Neisseria, Pseudomonas, Treponema, Desulfotomaculum, and Nitrosospira）協(xié)同介導(dǎo)紅樹(shù)林中關(guān)鍵的生物地球化學(xué)循環(huán)。這些發(fā)現(xiàn)為紅樹(shù)林生物地球化學(xué)循環(huán)中細(xì)菌的生態(tài)功能提供了新的見(jiàn)解。

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主要分析結(jié)果圖展示


案例二

標(biāo)題：全程氨氧化菌Nitrospira隨著沉積物深度相關(guān)的變化：來(lái)自中國(guó)三峽水庫(kù)的證據(jù)

期刊：Science of The Total Environment

影響因子：8.2

年份：2023.12

研究背景：隨著對(duì)微生物氮循環(huán)認(rèn)知的不斷深入，全程亞硝酸鹽氧化細(xì)菌（Comammox Nitrospira）的發(fā)現(xiàn)顛覆了傳統(tǒng)氮循環(huán)模型，這類(lèi)細(xì)菌能夠獨(dú)立完成從氨到硝酸鹽的全部氧化過(guò)程。三峽水庫(kù)作為世界上最大的水利工程之一，其沉積物環(huán)境為研究微生物群落結(jié)構(gòu)及功能提供了獨(dú)特的自然實(shí)驗(yàn)室。本研究聚焦于三峽水庫(kù)沉積物中Comammox Nitrospira的變化特征，旨在探索沉積物深度如何影響這一新型氮循環(huán)參與者，這對(duì)于理解大型水利工程對(duì)氮循環(huán)的影響及生態(tài)系統(tǒng)的管理具有重要意義。

研究方法：功能基因群落多樣性組成譜測(cè)序（AOA、AOB、Comammox）、qPCR

研究結(jié)論：實(shí)時(shí)熒光定量PCR (qPCR)分析表明，comammox菌不僅在深層沉積物中普遍存在，而且數(shù)量比氨氧化菌(AOB)要多。氨單加氧酶亞基A (amoA)基因擴(kuò)增子測(cè)序結(jié)果表明，comammox菌比AOB菌和氨氧化古菌(AOA)對(duì)沉積物深度更敏感，群落多樣性和相似性在沉積物垂直剖面上的下降更為顯著。值得注意的是，根據(jù)隨機(jī)森林模型，我們發(fā)現(xiàn)comammox細(xì)菌的amoA基因豐度、α和β多樣性對(duì)潛在硝化速率有重要貢獻(xiàn)。生態(tài)網(wǎng)絡(luò)分析進(jìn)一步揭示了comammox細(xì)菌與典型氨氧化劑在表層(0-40 cm)的相互作用更為密切，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)從表層到深層(200-300 cm)逐漸簡(jiǎn)化。總的來(lái)說(shuō)，這些發(fā)現(xiàn)擴(kuò)大了目前對(duì)沉積物生態(tài)系統(tǒng)精細(xì)尺度上共生菌的地理分布和生態(tài)位分離的認(rèn)識(shí)，并為大型淡水水庫(kù)中共生菌共存網(wǎng)絡(luò)模式的沉積物深度相關(guān)變化提供了見(jiàn)解。

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主要分析結(jié)果圖展示


案例三

標(biāo)題：環(huán)境選擇和進(jìn)化過(guò)程共同塑造了紅樹(shù)林根際微生物組的基因組和功能特征

期刊：mLife

影響因子：4.5

年份：2023.09

研究背景：紅樹(shù)根際（rhizosphere）作為土壤和植物根系的界面區(qū)域，聚集了大量微生物，這些微生物在營(yíng)養(yǎng)循環(huán)、病害防御、污染物降解等方面發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。引進(jìn)樹(shù)種造林是恢復(fù)紅樹(shù)林生態(tài)系統(tǒng)功能的重要策略。然而，這些活動(dòng)如何影響微生物驅(qū)動(dòng)的根際微生物群的甲烷(CH4)、氮(N)和硫(S)循環(huán)尚不清楚。為了了解環(huán)境選擇和進(jìn)化過(guò)程對(duì)原生和引種紅樹(shù)根際微生物驅(qū)動(dòng)的生物地球化學(xué)循環(huán)的影響，本研究利用宏基因組測(cè)序技術(shù)分析了原生和引種紅樹(shù)根際微生物組的關(guān)鍵基因組和功能圖譜。

研究方法：宏基因組+binning

研究結(jié)論：與本地紅樹(shù)(Kandelia obovata, KO)相比，引進(jìn)紅樹(shù)(Sonneratia apetala, SA)的根際微生物組具有更高的平均基因組大小、16S rRNA基因平均拷貝數(shù)和功能多樣性，而甲烷循環(huán)(如:mcrABCDG和pmoABC)、固氮(nifHDK)和無(wú)機(jī)硫循環(huán)(dsrAB、dsrC、dsrMKJOP、soxB、sqr和fccAB)功能基因豐度較低。在環(huán)境選擇過(guò)程中，鹽度和銨態(tài)氮是影響紅樹(shù)林根際微生物組的主要環(huán)境驅(qū)動(dòng)因子；在進(jìn)化過(guò)程中，引進(jìn)種紅樹(shù)根際微生物可能通過(guò)獲得更多的可移動(dòng)遺傳元件適應(yīng)新的環(huán)境，而本地種紅樹(shù)根際微生物則通過(guò)紅樹(shù)林-根際-微生物組協(xié)同進(jìn)化過(guò)程精簡(jiǎn)基因組。本研究促進(jìn)了對(duì)微生物介導(dǎo)的紅樹(shù)林根際CH4、N和S生物地球化學(xué)循環(huán)的認(rèn)識(shí)，并為環(huán)境選擇和進(jìn)化過(guò)程對(duì)生態(tài)系統(tǒng)功能的影響提供了新的見(jiàn)解，這對(duì)未來(lái)的紅樹(shù)林再造林具有重要意義。

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主要分析結(jié)果圖展示

上文介紹的微生物參與生物地球化學(xué)循環(huán)的研究方法（高通量qPCR芯片、功能基因群落組成譜測(cè)序、宏基因組）在派森諾可以一站式解鎖。2024年8月，派森諾更是隆重推出宏基因組生物地球化學(xué)循環(huán)分析產(chǎn)品，全景揭示微生物在生物地球化學(xué)循環(huán)中的動(dòng)態(tài)角色。PSN生物地球化學(xué)循環(huán)功能基因集包含10大子庫(kù)，總計(jì)收集111條功能通路，標(biāo)記基因累計(jì)高達(dá)1266個(gè)。

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PSN宏基因組生物地球化學(xué)循環(huán)分析報(bào)告提供功能通路循環(huán)圖、功能通路/功能基因豐度統(tǒng)計(jì)、差異比較、功能通路物種貢獻(xiàn)度分析等多維結(jié)果，采用Nature、Science等國(guó)際頂級(jí)期刊的專(zhuān)業(yè)配色方案，真正做到實(shí)用又美觀！

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宏基因組生物地球化學(xué)循環(huán)分析產(chǎn)品詳情請(qǐng)見(jiàn)下方鏈接：生態(tài)互聯(lián)，元素交響 | 派森諾生物地球化學(xué)循環(huán)分析項(xiàng)目盛大發(fā)布！






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