微生物生態-五月每日一文

五月鳴蜩（tiáo）

5.31

沿海沉積物反硝化群落同時表現出好氧和厭氧呼吸

盧瑟菌

雖然人類活動使得沿海環境氮素大量輸入，但並未引發相關開放海域（open oceans）氮素含量的升高。前人研究表明，沿海沙質（sandy）沉積物中的底棲反硝化群落是這部分氮素的匯（sink）。沙質沉積物作為作為動態滲透（dynamic permeable）環境，其電子供受體濃度會隨短期時空尺度變化而波動。目前，關於反硝化群落對這種波動的響應知之甚少。近日，來自馬普海洋微生物研究所的Marchant等人在微生物生態TOP期刊The ISME Journal上發表了題為「Denitrifying community in coastal sediments performs aerobic and anaerobic respiration simultaneously」的研究論文。作者通過同位素標記、宏基因組、宏轉錄組測序等手段，研究了底棲反硝化群落對氧濃度波動的響應，發現反硝化不僅可在高氧濃度下發生，而且可受有氧/缺氧條件頻繁轉換的誘導。在一個潮汐循環周期，無論氧氣濃度如何，多個細菌類群的好氧呼吸和反硝化相關的基因轉錄呈正相關，表明沙質沉積物中反硝化相關基因的轉錄不受氧氣含量的強烈調控。這使得微生物可對環境條件的變化迅速做出響應，同時也意味著有氧條件下電子供受體供應平衡打破時，反硝化可被用作輔助呼吸。因此，沿海滲透性沉積物中的好氧反硝化過程在由人類活動引起的氮素輸入的去除中發揮著重要作用。

http://sci-hub.cc/10.1038/ismej.2017.51

5.30

中國攀枝花礦業和冶煉地表土壤中釩元素和微生物群落響應空間分布

李小圓

由於現代工農業污染導致土壤重金屬污染日益嚴重。近日，中國地質大學張寶剛課題組對攀枝花礦業和冶煉地表土壤中釩元素的污染及其微生物群落響應空間分布進行了研究，以"Spatial distribution of vanadium and microbial community responses in surface soil of Panzhihua mining and smelting area, China"為題發表在雜誌Chemosphere。研究對攀枝花採礦冶煉區（中國）含釩鈦磁鐵礦中不同加工階段表面土壤中釩的空間分布以及細菌和真菌群落對釩的響應進行了現場實驗和實驗室模擬。結果表明，該區域釩含量範圍為149.3?4793.6 mg·kg-1，超過了中國釩的土壤背景值（82 mg·kg-1）。高通量DNA測序結果表明，不同生產地點的細菌群落相當多樣，但所有樣品中擬桿菌門和變形菌門均佔優勢。有機質，有效磷，有效硫和釩的含量對土壤細菌群落的結構有很大的影響。長期（240 d）在含釩培養基中培養後，細菌群落趨於相似的結構，主要為可耐受或降低重金屬毒性的細菌。培養後真菌多樣性下降，但與原始土壤樣品相比，子囊菌和纖毛亞門(AscomycotaandCiliophora)仍然是最豐富的門。本研究的結果強調了土壤中釩污染的緊迫性，並提供了有關釩污染如何影響細菌和真菌群落的有價值的信息。

5.29

拯救土壤生命——根系菌群（綜述）

胖魚

土壤微生物在植物促生以及生防方面作用很大，控制土壤菌群可以促進環保型農業的發展。2017年Current Opinion in Microbiology雜誌上刊登了Tim H Mauchline和Jacob G Malone的綜述：「Life in earth - the root microbiome to the rescue?」。該綜述介紹了土壤菌群研究的最新研究進展，包括植物、土壤相關菌群的組成、功能、代謝特徵，以及土壤系統中單個細菌物種的代謝、天然產物、基因組多樣性；描述了土壤菌群中的假單胞菌在生物防治中的作用，以及熒光假單胞菌促進植物生長、抑制植物病原體的機制；最後，文章分析了植物相關假單胞菌種群的基因組多樣性。

5.28

解析豬糞、水果和蔬菜廢棄物中溫厭氧消化過程中的微生物群落結構

小超人

厭氧消化（anaerobic digestion）是一種重要的微生物過程，不僅用於有機廢物處理，而且可用於生成可再生能源。近日，來自西班牙中央科技大學生物科學與技術研究中心的Margarita Ros等在Journal of Cleaner Production上發表了一篇名為「Mesophilic anaerobic digestion of pig slurry and fruit and vegetable waste: Dissection of the microbial community structure」的文章。該文研究了工作容積為300L的中試規模沼氣池的非生物性質和微生物群落。該系統在中溫條件下工作，幾種有機負荷率由廢物A（水果和蔬菜污泥+番茄廢物）和廢物B（豬糞）之間不同比例的混合物形成。結果顯示： 對應於70％A：30％B比例的核心微生物組顯示出最高的甲烷產量（60％）； 這個核心微生物組包括細菌，主要是厚壁菌門和擬桿菌門，它們主要參與纖維素降解，蛋白水解和酸化過程；同時，也包括共存的古菌，主要為乙酸營養型的（acetotrophic）甲烷鬃毛菌屬（Methanosaeta）和氫營養型的（hydrogenotropic）甲烷球形菌屬（Methanosphaera）及甲烷短桿菌屬（Methanobrevibacter）的產甲烷古菌； 廢棄物B（豬漿）的比例提高到50-60％，會降低沼氣和甲烷產氣量，並造成產甲烷菌群失衡，氫營養型產甲烷菌比例將增加。

5.27

氨氧化細菌抗性劑篩選與優化

李小圓

選擇性AOA/AOB抑制劑的適當使用對於解析AOA和AOB的貢獻率至關重要。近期，來自華東師大的何岩課題組在AMB發表名為"Screening and optimizing of inhibitors for ammonia-oxidizing bacteriain sediments of malodorous river"的文章。文章主要研究了氨苄青黴素，雙氰胺（DCD）和烯丙基硫脲（ATU）三種AOB抑制劑，其抑制劑量，適應性和作用。結果表明：氨苄青黴素，DCD和ATU的最佳抑制劑量分別為1.5g/L，1 mM和25μM。在三種抑制劑中，ATU顯示出最強烈和持久的抑制作用，可導致富含AOB的培養物中高達90％的AOB被抑制。ATU在模擬河流系統中看似弱化的抑制作用可歸因於AOA的作用、ATU空間分布不均勻及複雜河流沉積物結構的保護作用等。高通量焦磷酸測序分析顯示，AOB相關的亞硝化單胞菌和亞硝化球菌(NitrosomonasandNitrosococcus)分別為富集系統和河流系統中主要受ATU的影響群落。ATU的抑制主要是通過降低AOB的丰度和活性來實現的。加入ATU後AOB/AOA amoA基因拷貝數比例的降低進一步證實了ATU在河流複雜微生物群落中的抑制作用。

5.26

甘蔗根際微生物的種類、酶活及功能預測

參天大蔥

棲息在根際的微生物是一個複雜、多樣、活躍的群體，植物可以通過提供營養或是幫助其抵禦外界壓力來招募根際微生物。雖然根際微生物可以被植物招募已經被研究證實，但對於這些微生物為什麼能在根際定植我們依然知之甚少。去年，Frontiers in Micribiology雜誌刊登了一篇文章「Bacterial Abilities and Adaptation Toward the Rhizosphere Colonization」，文章作者對甘蔗根際微生物的群落結構、丰度、酶活等特徵進行了研究。

作者採用CLPP（community level physiological profile）與16S定量、高通量測序相結合的方法，對甘蔗根際微生物進行了研究。CLPP是群落水平生理學指紋方法，其原理是將樣品加到96孔板上，板上有預加的底物，通過顏色反映從而鑒定是否具有相應的酶活，是一種快速批量測定微生物酶活的方法。作者採集6株甘蔗的根際（rhizosphere）土作為生物學重複，並在每株甘蔗附近的行間採集了大田土（Bulk Soil）作為對照。

經CLPP分析發現，根際樣品酶活在整體水平上要高於大田土樣品，作者認為這可以說明D-半乳糖醛酸在植物根際微生物的選擇中起了重要作用。16S定量分析發現，根際土微生物的丰度要高於大田土。高通量測序結果共檢測出252個科（Family），其中有24個科在大田土中的丰度更高（P

https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC4997060/pdf/fmicb-07-01341.pdf

5.25

波羅的海沉積物宏基因組N循環相關基因多樣性研究

李小圓

生物氮循環由多個過程共同驅動完成。來自荷蘭的Olivia等對波羅的海沉積物不同深度樣品進行了宏基因組測序，並對其中潛在在氮循環基因進行了分析，該研究以"Metagenomic potential for and diversity of N-cycle driving microorganisms in the Bothnian Sea sediment"為題發表在Microbiologyopen雜誌。文章對氮循環中編碼硝酸還原酶（napA; narG），亞硝酸鹽/硝酸氧化還原酶（nxrA），亞硝酸還原酶（nirK; nirS; nrfA），一氧化氮還原酶（nor），一氧化二氮還原酶（nosZ），肼合成酶（hzsA），氨單加氧酶（amoA），羥胺氧化還原酶（hao）和固氮酶（nifH）通過blastx參考資料庫進行了分析。研究表明宏基因中有較高的潛在的反硝化脫氮能力，但厭氧氨氧化和DNRA在其中重要性較小。同時，基因組中好氧氨氧化主要是由奇古菌驅動完成。此研究為宏基因組測序研究氮循環關鍵過程提供了新視角。

http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/mbo3.475/pdf

5.24

長期有機耕作和傳統耕作導致了土壤微生物多樣性的不同

小丸子

隨著綠色革命的到來，肥料和農藥使用的增加，灌溉、土地管理和農作物的改善以及大量的土地轉換，農作物生產力也得到了大幅度的提升。然而，長期農業集約化導致的大規模生態系統退化和生產力下降受到了越來越多的關注。環境的負面影響包括土壤退化、溫室氣體排放量增加、農藥積累量增加、供水和水質下降。瑞士研究團隊在ISME Journal上發表了名為「Distinct soil microbial diversity under long-term organicand conventional farming」的文章，研究了長期有機耕作和傳統耕作下土壤微生物多樣性的差異。使用針對細菌和真菌核糖體基因的高通量測序研究了長期（超過20年）進行不同農業管理方式下土壤微生物組的響應。研究發現，相比傳統的只施用礦物肥的土壤管理方式，有機耕作增加了微生物的豐富度（richness）、降低了均勻度（evenness）並改變了土壤微生物菌群結構。造成這種差異的主要原因是應用了有機肥，因為當傳統土壤管理方式經綜合施肥（有機+無機肥混合）處理後其微生物群落與有機耕作處理的群落差異減小。對不施用有機糞肥的土壤其微生物群落主要是一些分散的、功能多樣的類群，以適應缺少營養環境的寡營養微生物為主，而對於施用有機肥的土壤則有一些特異的微生物類群，它們主要參與複雜有機物（比如堆肥和糞便）的降解。

https://www.nature.com/ismej/journal/v9/n5/pdf/ismej2014210a.pdf

5.23

飲用水系統中的聯合氨氧化過程

李小圓

聯合氨氧化過程(commammox)的發現改變了我們對傳統硝化過程的認識。來自香港大學的Tong Zhang課題組在Water Res.發表名為"Comammox in drinking water systems."的文章，對三個飲用水系統中的傳統硝化過程及聯合氨氧化過程進行了研究。通過16S及宏基因組高通量的方法，得到四個聯合氨氧化相關Nitrospira基因組拼接序列，並在基因組中檢測到amoA，hazO和nxrA/nxrB基因序列。結果表明聯合氨氧化過程或可廣泛存在與飲用水系統中。同時也說明飲用水系統中的聯合氨氧化現仍需更深入的探究。或許隨著更深入的研究我們會發現在飲用水處理系統中的聯合氨氧化過程扮演著更重要的角色，或可主導硝化過程。

5.22

番茄根際菌群與寄生疫霉相關疾病

胖魚

現在大部分病原菌與宿主植物根表面微生物之間的相互作用是未知的，而了解這些作用機制的本質，可以有助於對疫病進行防控。2017年Microbiome雜誌上刊登了Marie Larousse 等人的「Tomato root microbiota andPhytophthoraparasitica-associated disease」一文。作者分析了根表面有和無寄生疫霉形成的生物膜覆蓋的番茄（solanum lycopersicum）根際菌群組成。研究發現： 寄生疫黴菌（卵菌綱，oomycete）的定殖與宿主根表面的擬桿菌門（Bacteroidetes） / 變形菌門（Proteobacteria）比例的變化密切相關，而其中黃桿菌科（Flavobacteriaceae）丰度最高；通過 (i) 可在基於寄生疫霉提取物的培養基中生長、(ii) 對寄生疫黴菌表現出體外益生或抗菌活性、(iii) 可影響寄生疫黴菌感染周期的篩選原則，篩選疫黴菌相關的微生物，分離鑒定出了一株假單胞菌（Pseudomonas）種系型（phylotype），它可惡化番茄植株的疾病癥狀； 實驗驗證發現該假單胞菌與疫黴菌之間建立了互利共生關係；細菌更傾向於定殖於寄生疫霉形成的生物膜的表面而非宿主根表。結論：番茄根際寄生疫霉病原菌oomycete的存在導致宿主根際微生物群落組成發生變化，Pseudomonas可通過疫黴菌與細菌之間的物理結合以此來延伸其生境分布。

5.21

多種硫氧化細菌（SOB）在熱液噴口的生態位分區

小超人

在深海熱液噴口，初級生產是通過化能自養微生物進行的，而還原型硫化物的氧化是微生物進行碳固定的主要驅動力。儘管大量且高多樣性的硫氧化細菌（SOB）群落已被發現，但是在地球化學梯度中不同SOB的生態位分布模式仍然知之甚少。近日，來自德國普朗克研究所的Dimitri V Meier等在The ISME Journal上發表了題為「Niche partitioning of diverse sulfur-oxidizing bacteria athydrothermal vents」的文章。在這項研究中，作者通過在巴布亞紐幾內亞馬努斯盆地的六個不同的熱液噴口點廣泛採集活性硫化物來確定關鍵SOB的生態位分布。作者對來自彌散液體（diffuse fluid）和水體樣品的33個樣品以及採集自煙囪表面、岩石和動物相（fauna）的23個樣品進行了16S rRNA基因序列，宏基因組和實時原位測量地球化學參數的綜合分析。結果發現：ε-變形菌綱的Sulfurovum主要附著於擴散噴口的表面，而SUP05進化枝是噴口流體和海水的高度稀釋的混合物中的優勢浮游細菌。作者認為在本研究中觀察到的Epsilon變形菌綱內的Sulfurimonas-和Sulfurovum-相關的高度多樣性源於小空間和時間尺度上的環境參數（如氧和硫化物濃度）的高變性。

https://www.nature.com/ismej/journal/vaop/ncurrent/full/ismej201737a.html

5.20

作物輪作多樣性增加了農業生態系統中的地下群落和功能

小丸子

中耕作物對土壤生態系統的長期破壞威脅著糧食安全，它能夠增加大氣中微量氣體的排放，加速土壤侵蝕和降低水質。農業生態系統的兩個重要特性可以減輕這些負面影響，即對土壤結構頻繁干擾和過量的營養物質投入，但成效甚微。美國密歇根州立大學研究團隊在Ecology letters上發表了名為「Crop rotational diversity enhances belowground communities and functions in an agroecosystem」的文章，研究了作物輪作對農業生態系統的影響。隨著種植的作物多樣性增加（從1種增加到5種），土壤表現出不同的微生物群落結構，這種群落結構的變化與土壤有機碳、總氮、微生物活性的增加以及碳氮比的減少相關。結果顯示：在農業生態系統中存在著生物多樣性與功能的正相關，而這種相關性是由輪作和土壤微生物多樣性驅動的。多種作物輪作可以保持土壤生物群落，對土壤有機質和土壤肥力有積極的作用。

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