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南京土壤所關于水稻土稭稈降解微生物研究取得進展

2021-06-07 分享到:

地球每年産生大量的植物殘體,這些外源有機物質的分解在陸地生態系統碳平衡和伴隨的全球變化中起著關鍵作用。微生物是植物殘體降解的主要驅動力,後者的命運在很大程度上取決于微生物群落的生態(即群落組成和物種間相互作用)和生理(即編碼的酶及其生物化學過程和途徑)特性。此外,環境條件(例如土壤肥力)可以通過改變微生物群落來影響植物殘體的降解,因此物種的生態生理重要性隨環境變化而有所不同。

放線菌(Actinobacteria)是土壤中分布最廣泛的一類細菌,以其卓越的植物殘體降解能力而被廣泛關注。然而,目前關于放線菌降解植物殘體的研究主要是基于純培養生理層面,且只有部分可培養放線菌被關注。原位條件通常與實驗室條件不完全相同,現有研究難以全面、原位反應放線菌在植物殘體降解過程中發揮的生態生理的重要性。因此,關于放線菌在不同環境條件下原位降解植物殘體的生態生理作用的研究需要深入和驗證。

在中國科學院南京土壤研究所研究员李忠佩、林先贵主持的国家自然科学基金重点项目“亚热带典型水稻土中秸秆降解的微生物代谢网络及其驱动机制(41430859)”资助下,冯有智研究员团队以水稻秸秆为研究对象,一是通过秸秆原位埋袋降解实验结合扩增子测序技术,研究了放线菌群落和功能组成的时空变异特征,分析了放线菌和其他优势细菌类群在不同环境下的网络互作关系;二是利用13C-稭稈穩定性同位素標記(DNA-SIP)實驗結合宏基因組測序技術,明確了放線菌稭稈降解功能的時空穩定性及其在不同環境下的生態生理重要性。

主要研究結果表明:(1)放線菌“小個子也有大能量”13C-稭稈DNA-SIP宏基因組數據表明:盡管放線菌平均相對豐度僅占總細菌豐度的5%左右,其基因組中CAZyme酶編碼基因平均相對豐度卻高達16%。將優勢細菌基因組中的CAZyme酶編碼基因豐度進行均一化處理,結果表明放線菌基因組中編碼的CAZyme酶基因平均數量較高。與之相反,稭稈降解過程中的優勢物種,例如變形菌門(~37.3%),其基因組中攜帶的降解相關功能基因平均數量卻較低。(2)放線菌稭稈降解的生態生理重要性。三個站點(重慶、常熟和鷹潭)原位稭稈降解細菌高通量測序結果表明:無論是在局域尺度(各站點內部)還是在區域尺度(跨站點間)下,放線菌相對豐度的變異性總體上均小于其他優勢細菌,並且其攜帶降解相關的功能基因在“時間”和“空間”上保持相對穩定。進一步對稭稈降解過程中優勢細菌群落和功能組成與稭稈化學組成進行擬合分析發現:隨著稭稈化學成分的變化,放線菌群落組成和功能組成的相似性變異幅度均顯著低于其他優勢細菌類群(酸杆菌除外)。此外,DNA-SIP宏基因組數據進一步證實了放線菌稭稈降解功能的低時空變異性。上述結果暗示放線菌在稭稈降解過程中可能不容易受到環境因素的影響,而能發揮較穩定的降解作用。(3)放線菌稭稈降解生態生理重要性在低肥力土壤下提高。通過對三個不同肥力站點下稭稈降解細菌的分子生態網絡分析發現:低肥力土壤下,放線菌和其他細菌之間的網絡“正”、“負”連接數均高于高肥力土壤。對低肥力土壤下與放線菌相連的物種進行分析,發現其均具有稭稈降解能力。其中,低肥力土壤下較高的“正”連接數暗示放線菌可促進其他物種共同參與稭稈降解,而較高的“負”連接數暗示其可通過抑制其他物種與其競爭稭稈資源,進而提高放線菌在稭稈降解過程中的重要性。DNA-SIP宏基因組數據進一步表明,低肥力土壤下放線菌物種和功能的豐度顯著高于高肥力土壤。低肥力下放線菌較高的抗生素合成基因暗示放線菌在該環境下可能通過合成抗生素抑制競爭者對稭稈資源的獲取,從而提高自身在稭稈降解過程中的重要性;而較高的固氮基因暗示放線菌可能通過固定更多的氮供給自身和其他微生物利用,從而共同促進稭稈降解。這也解釋了在低肥力土壤下放線菌和其他細菌之間的“正”、“負”連接數高于高肥力土壤的原因。

該研究明確了放線菌在原位環境下降解植物殘體的重要生態生理作用,盡管放線菌豐度不占優勢,但其基因組中卻攜帶了大量和植物殘體降解相關的功能基因,並且該重要性在低肥力土壤下更加顯著。此外,在植物殘體降解的整個過程中,放線菌物種組成和功能組成均保持相對較高的穩定性。該研究不僅有助于加深對放線菌在陸地生態系統碳循環中重要生態生理作用的理解,而且對稭稈資源化利用技術的研發也具有重要參考價值。

相關研究成果發表在微生物學領域期刊《Microbiome》上。

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放線菌稭稈降解的生態生理重要性