典型农田红壤氨氧化古菌生理代谢的基因组学研究

氨氧化古菌的发现是近年来全球氮循环微生物驱动机理研究的重大突破。理论分析和实验证据表明，氨氧化古菌可能在酸性红壤氨氧化过程中发挥重要作用。然而，迄今尚无直接证据表明古菌参与农田红壤氨氧化过程。此外，由于缺乏纯培养物，对农田红壤中氨氧化古菌的生理代谢功能仍不清楚。因此，本研究以典型旱地农田红壤为研究对象，通过实验室微宇宙培养，以稳定同位素探针技术示踪土壤活性氨氧化微生物DNA，分析13C-DNA中16S rRNA及氨氧化功能基因，明确红壤活性氨氧化微生物的群落组成；构建13C-DNA基因组文库，采用454高通量测序技术，获得氨氧化古菌基因组信息，在此基础上通过比较基因组学研究，重构氨氧化古菌的重要生理代谢途径。本研究试图阐明古菌对典型农田红壤氨氧化过程的驱动机理，并着重从基因组角度探讨它们的重要生理代谢特征，其结果将深化对农田红壤硝化机制的认识，推动氨氧化古菌生理代谢功能的研究。

本项目以江西鹰潭国家野外科学观测站长期施肥（30年，CK、OM、NPK、NP、NP、PK）旱地红壤为研究对象，系统研究了酸性红壤中AOA生理生态学特征及其分子生物学机制。生态学调查发现不同施肥的旱地红壤中AOA数量是AOB的6.0～93.2倍。15N-示踪结果表明土壤硝化活性与土壤pH以及AOA数量成显著正相关。AOA功能基因amoA的454高通量测序结果发现Nitrosophaera subcluster 3和Nitrosotalea cluster更倾向于低pH环境，而Nitrosophaera subcluster 8和54d9则更倾向于高pH环境。这个结果表明Nitrosophaera中至少某些类群可能进化出适应酸性环境的能力，这和目前已知的Nitrosophaera代表菌株N. viennensis EN76严格嗜中性特征有有很大不同，暗示酸性土壤中AOA可能具有极高的生理代谢多样性。进一步稳定性同位素示踪试验发现在长期使用无机化肥土壤中(pH4.9)伴随着硝化过程发生，AOA的DNA被13CO2大量标记，而AOB只被13CO2微弱标记。这表明AOA可能主导了长期施无机化肥酸性红壤的硝化作用。有趣的是13CO2标记的活性AOA在系统发育分类地位上属于Nitrosophaera类群，并且和嗜中性的N. viennensis EN76高度同源，这进一步验证了Nitrosophaera某些类具有耐受酸性环境的能力的结论。AOA的13C-DNA的宏基因组高通量测序和比较基因组学分析发现，耐酸AOA基因组具有其不同于嗜中性AOA的特异基因，这些特异基因编码的蛋白可以通过主动从细胞外运输阳离子、外排或消耗质子以及高效的细胞修复等机制使得AOA适应酸性环境。此外，在酸性土壤研究基础上，本项目拓展了AOA在水稻土中生态功能研究，发现AOA主导了弱碱性四川紫色土的硝化作用，并通过相关性分析推测土壤氧化还原容量是水稻土AOA活性和地理学分异的关键环境驱动力。以上研究结果将深化对AOA在土壤系统中物质和能量转化过程贡献的认识，并为复杂体系中功能微生物生理生态学机制的研究提供有益的借鉴。相关研究结果以第一作者身份发表在美国微生物学会会刊Appl Environ Microbiol（IF 3.952）和Nature出版社ISME J（IF=9.267）上。