黑曲霉（Aspergillus niger）对含钾矿物的生物风化与调控机制研究

钾是植物生长必需的大量营养元素之一，在我国可溶性钾盐资源非常紧缺的背景下，储量巨大的低品位含钾岩石的开发利用受到广泛关注，而微生物转化技术则是实现这一目标的重要手段。为了解含钾矿物在微生物作用下的风化过程及生物风化调控机制，以黑曲霉为代表，采用XRD、ICP-OES和电子探针等手段来研究真菌对含钾矿物风化前后的矿物组成及各离子含量，探讨真菌对含钾矿物的风化过程及影响因素；利用抑制性消减杂交和荧光定量PCR技术分析不同钾源条件下(包括缺钾、以矿物钾为钾源、以离子钾为钾源、同时提供矿物钾与离子钾四种情况)该真菌的基因表达差异，研究其对含钾矿物风化相关的基因与代谢途径，揭示真菌对含钾矿物风化的调控机制。从代谢调控角度探讨真菌风化含钾矿物的驱动力，加深对土壤营养元素生物地球化学循环规律的理解和认识。为有效利用低品位含钾岩石资源和提高土壤含钾矿物的生物有效性提供理论依据。

采用微生物法转化低品位含钾岩石是缓解我国严重缺钾现状的有效途径。鉴于目前人们对微生物解钾作用机理极为有限的认识，开展了微生物对含钾矿物的生物风化与调控机制研究。主要研究内容总结如下：.利用RNA-seq技术分析黑曲霉在以钾长石和KCl为钾源的察氏培养基培养条件下的mRNA，获得差异表达基因。发现上调基因主要参与氨基酸和有机酸的代谢，下调基因与离子运输相关。差异表达基因的分子功能主要涉及转移酶和氧化还原酶活性，这表明在缺钾条件下，黑曲霉需要合成多种氨基酸从而组装成多种蛋白质（酶）以加速细胞代谢产能，同时合成矿物风化因子（如有机酸）以促进含钾矿物的生物转化。该研究从微生物代谢调控的角度揭示了微生物风化含钾矿物是一个多因素作用下的综合作用过程，从而完善了微生物风化含钾硅酸盐矿物的综合效应理论。采用抑制性消减杂交等技术，富集烟曲霉风化含钾矿物过程中的差异表达基因并进行生物信息学分析，证实了钾等矿物元素的缺乏能促进真菌风化含钾矿物的相关基因表达，产生和增加相关代谢产物（如微生物-矿物接触区域会集中高浓度有机酸等），促进矿物生物转化。在实验研究的基础上，首次提出微生物可通过上调表达碳酸酐酶促进CO2水合作用以加强对硅酸盐矿物的风化进程。对构巢曲霉的两条碳酸酐酶基因在不同CO2浓度下对含钾矿物风化研究，显示该菌会优先选择其中一条碳酸酐酶以适应CO2浓度的变化或者可利用矿质营养的变化，以缓解逆境的不利影响和避免细胞内物质和能量的浪费。研究还发现，随着地表CO2浓度总体上逐渐降低，微生物碳酸酐酶在地表岩石演化过程中的作用份额增大；变形杆菌门和厚壁菌门中的微生物在钾矿粉堆肥化处理过程中发挥了重要作用；筛选出在高温下可有效释放钾素的微生物新资源；发现将低品位含钾矿粉与有机废物（鸡粪）混合进行堆肥化处理能够起到补钾和保氮作用；尝试基因操作构建超级解钾黑曲霉工程菌以提高含钾岩石的转化效率；等。这些研究加深了人们对矿物-微生物相互作用本质的理解和对土壤钾素生物地球化学循环规律及调控机理的认识，为提高低品位含钾岩石的微生物转化效率和增加土壤含钾矿物的生物有效性提供新的思路。.项目执行期间共培养博士和硕士研究生9名；多次应邀在国际和国内学术会议上做学术报告，在SCI期刊发表学术论文10篇。