2024-05-08
导语 随着工业化的发展和经济的快速发展，越来越多的重金属元素被排入环境，对生态环境产生了严重的影响。同时，重金属，如铅、汞、镉等，它们悄悄潜入土壤、水源，不仅危害动植物的生命，还通过食物链影响到人类的健康。重金属污染，已成为当今生态环境的一大挑战。因此，如何准确地检测和评估环境中的重金属元素的危害，并探究这些元素之间的互作关系，降解和减少这些重金属对环境保护，生态修复和人类健康具有重要意义。 多组学测序是同时对生物体的基因组、转录组、蛋白质组等多个层面进行测序分析。它不仅能够揭示生物体的遗传信息，还能洞察其生理、代谢等复杂过程。在生态领域，多组学测序为我们打开了一个全新的视角，让我们能够更深入地了解生物与环境之间的相互作用。那么对于多组学在环境生态重金属领域的研究有哪些研究思路呢？和小派一起看一看和我们之前合作的老师的项目案例吧!
一、揭示重金属污染下的生物响应机制 重金属污染会对土壤和水体中的微生物群落结构产生显著影响。同时，植物也会对重金属的胁迫产生响应机制。通过多组学测序技术，我们可以监测些微生物群落在重金属污染下的变化以及重金属对植物的胁迫，并揭示它们对重金属的响应机制。这些研究不仅有助于我们了解重金属污染对生态系统的影响，还能为重金属治理提供科学依据。 案例一
【派森诺项目文章】IF8.9！揭秘！转录组学解锁水稻对Hg2+暴露的适应性、基因型特异性的机制！
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文章题目：Differentially-expressed genes related to glutathione metabolism and heavy metal transport reveals an adaptive, genotype-specific mechanism to Hg2+ exposure in rice (Oryza sativa L.)
期刊：Environmental Pollution
影响因子：8.9
技术手段：RNA-seq等
技术路线：
部分研究结论：
在汞胁迫下，两种水稻基因型的活性氧(H2O2)的产生增加了MDA含量，从而加剧了过氧化对膜的损伤。然而，H655中抗氧化酶和GSH代谢相关基因的上调表达，使H655的抗氧化酶活性(CAT、SOD)和GSH含量高于H767，从而增强了H655对Hg的耐受性。另一方面，GST和PCS的高表达催化H655中Hg与GSH结合，从而诱导转运体基因YLS2在H655中上调表达。增加了该水稻基因型的汞转运和积累能力。因此，H655的地上部组织中汞的积累量超过H767。本研究通过对汞胁迫下水稻品种的生理和分子特征的研究，揭示了水稻对汞胁迫的适应机制，有利于制定培育耐汞水稻品种的新策略。
案例二
【派森诺多组学项目文章】 IF8.7! 代谢组+微生物组助力苹果镉胁迫缓解机制研究
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文章题目：Dopamine alleviates cadmium stress in apple trees by recruiting beneficial microorganisms to enhance the physiological resilience revealed by high-throughput sequencing and soil metabolomics
期刊：Horticulture Research
影响因子：8.7
技术手段：微生物组，代谢组等
技术路线：
部分研究结论：
本研究利用土壤微生物组和代谢组联合分析，研究了多巴胺对镉胁迫下苹果植株生长的影响。研究发现，多巴胺可以增强植株光合作用，激活活性氧清除系统，降低植株体内活性氧水平；抑制镉吸收基因的表达，促进镉解毒基因的表达，减少植株镉积累，从而缓解镉胁迫对植株生长的抑制。此外，多巴胺显著改变了土壤代谢物的组成以及根际微生物群落多样性。LEfSe分析表明多巴胺可通过诱导植物招募潜在的有益微生物来抵抗镉胁迫。共现网络显示，多巴胺正向调节的几个代谢产物与植物相对生长速率呈显著正相关，与镉积累则呈显著负相关，表明潜在有益微生物可能被上述代谢产物所调控。研究结果有助于今后深入研究多巴胺调控苹果镉胁迫的功能机制，也为果园土壤重金属治理提供了新的思路和策略。
二、筛选重金属抗性生物和物质 在重金属污染的环境中，总有一些生物能够顽强生存，这些生物被称为重金属抗性生物。通过多组学测序技术，我们可以筛选出这些具有重金属抗性的生物，并研究其抗性机制。这些生物不仅为我们提供了治理重金属污染的潜在资源，还为我们揭示了生物适应环境的奥秘。 案例一
【派森诺项目文章】荣登10分ISME！新研究发现锑金属污染下，微生物修复的新机制！
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文章题目：Dopamine alleviates cadmium stress in apple trees by recruiting beneficial microorganisms to enhance the physiological resilience revealed by high-throughput sequencing and soil metabolomics
期刊：The ISME Journal
影响因子：10.302
技术手段：微生物宏基因组，Binning分析，稳定同位素探测（SIP）锚定
部分研究结果
脱硫弧菌编码的代谢过程
锡矿山锑污染场地环境分布及脱硫弧菌的地球化学性质
脱硫弧菌相关基因的泛基因组分析
研究结论
研究发现了脱硫弧菌（Desulfurivibrio spp.）介导的一种新型生物地球化学过程-硫（S）氧化与锑（Sb）还原耦合。脱硫弧菌的分布与S和Sb的浓度相关，其相对丰度在Sb尾矿中的浓度较高，而在土壤、稻田和河流沉积物等周边环境中的浓度相对较低。此外，驱动S氧化与Sb（V）还原耦合潜能的功能基因，分别由非典型的亚硫酸氧化还原酶（dsr）和砷酸盐还原酶（arrA）或锑酸盐还原酶（anrA）编码。通过阐明相关酶催化的S氧化与Sb还原的生物地球化学过程，拓展了对Sb的生物地球化学循环的基本认识，有助于提高Sb尾矿的生物地球化学修复效益。
案例二
【派森诺项目文章】 宏基因组学和机器学习共同辅助识别水稻根部微生物中镉积累特征的生物标志物！
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文章题目：Metagenomic and machine learning-aided identification of biomarkers driving distinctive Cd accumulation features in the root-associated microbiome of two rice cultivars
期刊：The ISME Communications
技术手段：16S rRNA基因测序、宏基因组测序等
图文摘要与部分研究结果展示：
图文摘要
低镉水稻 XS14 和杂交水稻 YY17 根际和内层微生物组的功能变异
研究结论：
研究了两个具有对比镉积累能力的水稻品种（低镉水稻 XS14 和杂交水稻 YY17）的根部相关微生物组的结构和功能特征，并揭示了水稻品种之间根部相关生态位中不同的微生物分类特征和功能特异性招募策略。我们识别到属于 DP-20（脱硫菌门）和 Nitrospira（硝化螺菌门）的生物标志物成员，它们分别通过硫代谢（DP-20）、氮和金属代谢（Nitrospira）在维持 XS14 和 YY17 的生存适应性方面表现出显著不同的生态功能。我们的研究系统地描述了两个水稻品种籽粒中镉积累的变化，以破译分类功能特异性微生物招募机制。我们的研究结果强调了应对镉胁迫时两个水稻品种的土壤根系连续体中微生物群落组装和功能的品种特异性模式，并为促进镉污染土壤中的水稻生长和食品安全提供潜在生物标志物操作奠定了基础。
三、优化重金属治理策略 基于多组学测序的数据，我们可以更加精准地制定重金属污染的治理策略。例如，我们可以利用具有重金属抗性的微生物进行生物修复，通过改变微生物群落的结构和功能来降低重金属的生物毒性。此外，我们还可以利用基因编辑技术培育出具有更强重金属抗性的植物品种，用于修复重金属污染的土地。 案例一
【派森诺项目文章】16S扩增子和宏基因组测序揭示依赖重砷的生物固氮代谢机制！
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文章题目：Thiobacillus spp. and Anaeromyxobacter spp. mediate arsenite oxidation-dependent biological nitrogen fixation in two contrasting types of arsenic-contaminated soils
期刊：Journal of Hazardous Materials
影响因子：13.6
技术手段：16S rRNA基因、宏基因组等
图文摘要与部分研究结果展示：
图文摘要
宏基因组分箱中鉴定到的潜在的砷依赖的化能自养的固氮菌
研究结论：
与Thiobacillus spp.相关的细菌对于砷污染的表面土壤中的砷依赖的生物固氮过程中扮演着重要的角色，而Anaeromyxobacter spp.则在砷污染的河流沉积物中负责依赖砷氧化的生物固氮菌。宏基因组分箱及DNA稳定同位素的分析结果鉴定了砷依赖的生物固氮过程中固定氮、碳及氧化砷的关键功能基因，于此同时，关键基因相关的金属抗性也表明这些细菌在重金属严重污染的生态环境中的生存策略。本研究暗示了砷污染的土壤可能辅助依赖砷进行BNF的细菌的生长。同时，本研究鉴定了介导砷依赖的BNF新菌，表明多样的地理化学环境条件可能为不同的砷依赖的BNF 细菌提供营养。之前的研究报道了化能的固氮菌而不是异养的固氮菌在矿产污染的地区环境中占据主导地位，这些细菌可能利用还原的硫、砷、铅等元素作为电子供体来固定氮气。虽然三价砷氧化依赖的生物固氮在碳源和氮源有限但是砷很丰富的环境中观察到，但是对于生物固氮相关的砷氧化是否发生在砷污染的土壤或沉积物中以及什么细菌负责这样的生物地理化学过程仍然是不知道的。本研究扩展了砷依赖的BNF机理的知识见解，在将来可能为砷污染的生物修复提供指导。
案例二
【派森诺项目文章】微生物多样性+宏基因组揭示蜈蚣凤尾蕨内生菌介导了砷污染的生态修复机制！
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文章题目：Arsenic (As) oxidation by core endosphere microbiome mediates As speciation in Pteris vittata roots
期刊：Journal of Hazardous Materials
技术手段：多样性组成谱测序、宏基因组鸟枪法测序、Binning分析
图文摘要
砷代谢以及N、S代谢相关基因在内生菌MAGs中分布情况
研究结论
本研究旨在表征蜈蚣凤尾蕨内生菌的物种组成及砷代谢潜能。三价砷氧化酶基因的高丰度以及三价砷氧化的高反应活性表明在蜈蚣凤尾蕨根内微生物介导的三价砷氧化是砷代谢的主要机制。物种组成以及Binning分析表明负责砷代谢的核心物种是根瘤菌以及发生基因水平转移的Saccharimonadaceae。除此之外，内生菌核心物种还编码了促进植物生长的相关基因。综上所述，本研究揭示了蜈蚣凤尾蕨利用内生菌调节砷价态形成以及促宿主生长的机制。
结 语 展望未来，多组学测序技术将在环境生态重金属领域发挥更加重要的作用。它将继续帮助我们深入了解生物与环境之间的相互作用，为环境保护和生态修复提供更有力的支持。让派森诺与您携手共进，利用多组学测序技术，共同应对重金属污染的挑战，为创造一个更加美好的生态环境而努力。
