2024-10-04
在地球这颗生机勃勃的行星上，微生物不仅仅是微小的生命体，也是驱动地球生命引擎的隐形巨匠。从深邃的海洋底部到巍峨的山峦之巅，微生物无处不在。生物地球化学循环，这一复杂而精密的自然机制，涉及碳、氮、磷、硫等生命必需元素的动态循环，而微生物作为生物地球化学循环的积极参与者和驱动者，扮演着无可替代的核心角色。例如，通过硝化作用与反硝化作用，微生物调控着氮循环，影响全球氮素的可用性；通过甲烷代谢作用，它们参与温室气体的产生与消耗，间接调控地球气候；而通过分解复杂有机物质，微生物释放出的营养元素滋养着整个食物链，支撑着生态系统的生产力与多样性。
微生物参与生物地球化学循环的研究方法
宏基因组
宏基因组技术手段是对样本中提取到的总DNA随机打断并建库上机高通量测序。因此宏基因组可以揭示环境中微生物群落的整体遗传信息，帮助识别参与特定元素循环过程的功能基因和代谢途径。通过生物信息学手段挖掘测序数据，可以筛选出与特定元素循环相关的功能基因，如硝化作用和反硝化作用中的氮循环基因、甲烷代谢基因等。通过比较不同环境条件下这些基因的丰度和多样性，可以推断元素循环的活跃程度和潜在的微生物贡献者。
功能基因群落组成谱测序
功能基因群落组成谱测序通过借助合适的类群特异性引物，检测菌种特定种类/功能微生物的特征序列，反应菌群中该特定类群微生物的组成结构，分析其分布特征，阐明样本间多样性和组成差异。例如通过借助nifH、nirS、pmoA等引物，可以定向检测样本中具有固氮、反硝化、甲烷氧化功能的微生物类群，好比拿了一把“放大镜”，消除其他不相干微生物类群的干扰。
高通量qPCR芯片
高通量qPCR技术是对传统qPCR技术的一次突破性升级。高通量qPCR技术将针对目的基因设计的对应qPCR引物包装至薄层金属合金纳米孔芯片得到高通量qPCR芯片，通过SmartChip超高通量荧光定量PCR系统完成。将与生物化学循环相关的功能基因（如C和N的固定、硝化和反硝化、P的活化以及S的形态转化等）编码到芯片上，利用功能基因丰度表征土壤元素循环过程相关功能微生物的数量变化，以及功能基因与土壤性质、微生物群落结构间的关系，进而揭示土壤元素循环过程的分子机制。
微生物参与生物地球化学循环的研究案例
案例一
标题：基于GeoChip 5.0功能基因检测的细菌在红树林生物地球化学循环中的生态作用
期刊：mSphere
影响因子：3.7
年份：2022.01
研究背景：红树林生态系统位于陆地与海洋交汇的独特环境中，对全球碳固定和营养元素循环起着至关重要的作用。这些生态系统蕴含着丰富的细菌多样性，这些细菌积极参与碳、氮、硫、磷等多种生物地球化学循环，对维持生态平衡及红树林生态健康至关重要。
研究方法：GeoChip 5.0芯片、16S多样性组成谱（16S V4）
研究结论：本研究挖掘了中国南方7个代表性红树林的细菌群落结构和生态功能。不同红树林的细菌群落组成差异不显著，说明不同红树林的功能基因不存在地理差异。其中，与碳循环(特别是碳降解)相关的功能基因最为丰富，这表明碳降解是红树林中最活跃的过程。另外，发现一些高丰度的细菌种群（包含Neisseria, Pseudomonas, Treponema, Desulfotomaculum, and Nitrosospira）协同介导红树林中关键的生物地球化学循环。这些发现为红树林生物地球化学循环中细菌的生态功能提供了新的见解。
主要分析结果图展示
案例二
标题：全程氨氧化菌Nitrospira随着沉积物深度相关的变化：来自中国三峡水库的证据
期刊：Science of The Total Environment
影响因子：8.2
年份：2023.12
研究背景：随着对微生物氮循环认知的不断深入，全程亚硝酸盐氧化细菌（Comammox Nitrospira）的发现颠覆了传统氮循环模型，这类细菌能够独立完成从氨到硝酸盐的全部氧化过程。三峡水库作为世界上最大的水利工程之一，其沉积物环境为研究微生物群落结构及功能提供了独特的自然实验室。本研究聚焦于三峡水库沉积物中Comammox Nitrospira的变化特征，旨在探索沉积物深度如何影响这一新型氮循环参与者，这对于理解大型水利工程对氮循环的影响及生态系统的管理具有重要意义。
研究方法：功能基因群落多样性组成谱测序（AOA、AOB、Comammox）、qPCR
研究结论：实时荧光定量PCR (qPCR)分析表明，comammox菌不仅在深层沉积物中普遍存在，而且数量比氨氧化菌(AOB)要多。氨单加氧酶亚基A (amoA)基因扩增子测序结果表明，comammox菌比AOB菌和氨氧化古菌(AOA)对沉积物深度更敏感，群落多样性和相似性在沉积物垂直剖面上的下降更为显著。值得注意的是，根据随机森林模型，我们发现comammox细菌的amoA基因丰度、α和β多样性对潜在硝化速率有重要贡献。生态网络分析进一步揭示了comammox细菌与典型氨氧化剂在表层(0-40 cm)的相互作用更为密切，网络结构从表层到深层(200-300 cm)逐渐简化。总的来说，这些发现扩大了目前对沉积物生态系统精细尺度上共生菌的地理分布和生态位分离的认识，并为大型淡水水库中共生菌共存网络模式的沉积物深度相关变化提供了见解。
主要分析结果图展示
案例三
标题：环境选择和进化过程共同塑造了红树林根际微生物组的基因组和功能特征
期刊：mLife
影响因子：4.5
年份：2023.09
研究背景：红树根际（rhizosphere）作为土壤和植物根系的界面区域，聚集了大量微生物，这些微生物在营养循环、病害防御、污染物降解等方面发挥着至关重要的作用。引进树种造林是恢复红树林生态系统功能的重要策略。然而，这些活动如何影响微生物驱动的根际微生物群的甲烷(CH4)、氮(N)和硫(S)循环尚不清楚。为了了解环境选择和进化过程对原生和引种红树根际微生物驱动的生物地球化学循环的影响，本研究利用宏基因组测序技术分析了原生和引种红树根际微生物组的关键基因组和功能图谱。
研究方法：宏基因组+binning
研究结论：与本地红树(Kandelia obovata, KO)相比，引进红树(Sonneratia apetala, SA)的根际微生物组具有更高的平均基因组大小、16S rRNA基因平均拷贝数和功能多样性，而甲烷循环(如:mcrABCDG和pmoABC)、固氮(nifHDK)和无机硫循环(dsrAB、dsrC、dsrMKJOP、soxB、sqr和fccAB)功能基因丰度较低。在环境选择过程中，盐度和铵态氮是影响红树林根际微生物组的主要环境驱动因子；在进化过程中，引进种红树根际微生物可能通过获得更多的可移动遗传元件适应新的环境，而本地种红树根际微生物则通过红树林-根际-微生物组协同进化过程精简基因组。本研究促进了对微生物介导的红树林根际CH4、N和S生物地球化学循环的认识，并为环境选择和进化过程对生态系统功能的影响提供了新的见解，这对未来的红树林再造林具有重要意义。
主要分析结果图展示
上文介绍的微生物参与生物地球化学循环的研究方法（高通量qPCR芯片、功能基因群落组成谱测序、宏基因组）在派森诺可以一站式解锁。2024年8月，派森诺更是隆重推出宏基因组生物地球化学循环分析产品，全景揭示微生物在生物地球化学循环中的动态角色。PSN生物地球化学循环功能基因集包含10大子库，总计收集111条功能通路，标记基因累计高达1266个。
PSN宏基因组生物地球化学循环分析报告提供功能通路循环图、功能通路/功能基因丰度统计、差异比较、功能通路物种贡献度分析等多维结果，采用Nature、Science等国际顶级期刊的专业配色方案，真正做到实用又美观！
宏基因组生物地球化学循环分析产品详情请见下方链接：生态互联，元素交响 | 派森诺生物地球化学循环分析项目盛大发布！
