群体感应对土壤好氧反硝化细菌（脱氮副球菌）的调控机制

Denitrification is a major branch of the biogeochemical nitrogen cycle in soil. It is a major process of loss of fertilizer nitrogen resulting in decreased efficiency of fertilizer use, and an important process, contributing nitrous oxide to the atmosphere. Reactions of denitrification occur in many microbes under anaerobic condition. However, it is noteworthy that biological reduction of nitrate under aerobic conditions was reported. The mechanisms of bacterial aerobic denitrification were investigated electronically in Paracoccus denitrificans, typical bacteria of aerobic denitrification research, but the physiological function and metabolic regulation mechanism of P. denitrificans in the soil ecosystem remain poorly understood. With the knowledge reserve of quorum sensing, a form of cell-cell communication that regulates gene expression, we could answer the following scientific questions: 1) whether global regulation is driven by QS system in P. denitrificans; 2) to discuss the QS regulation mechanism of P. denitrificans in different living conditions; 3) whether these QS signals have effects on the key functions of P. denitrificans; 4) to discuss the mechanism of control and regulation of the denitrification process by QS. This project will provide clues for understanding the individual-based bacterial ecological behavior of this aerobic denitrifier. Meanwhile, the study is expected to lay a solid foundation for further research of microbial regulation in soil nitrogen circulation.

土壤的反硝化作用是氮元素生物地球化学循环的重要环节，不仅决定着土壤氮素的利用程度，还与硝酸盐淋失和氧化亚氮的释放等生态环境问题相关。微生物介导的反硝化过程通常被认为是在厌氧条件下进行的，但在土壤生态系统中同时存在好氧反硝化作用。虽然经过几十年的研究，对好氧反硝化的电子传递系统已有一定的认识，但是对实际土壤环境中好氧反硝化菌的分子调控机制并没有明确的答案。本项目结合前期开展的一些工作，以脱氮副球菌为反硝化模式菌，从群体感应（quorum sensing, QS）角度出发，回答反硝化微生物的QS系统是否对其生长代谢产生全局调控？不同生存状态下QS调控作用的差异？QS系统是否对其本身的关键功能产生调控？QS如何影响反硝化过程等科学问题。这一课题的完成有助于理解好氧反硝化细菌在土壤生态系统中的个体生态行为，同时为土壤氮循环中微生物的代谢调控提供一些基础理论认识。

微生物是氮循环的重要驱动力，通过研究土壤中的氮转化微生物，采取相应措施减少农田氮肥损失、温室气体排放是当前研究微生物生态系统功能最为关注的领域。脱氮副球菌是土壤生态系统中重要的反硝化细菌，由于其生理代谢的多样性，是研究土壤反硝化过程的模式细菌。然而，这种反硝化细菌自身关键的群体感应（quorum sensing, QS）调控作用却没有一个完整的科学认识。因此，我们迫切需要回答的科学问题是：脱氮副球菌是否包含功能性的QS调控元件？脱氮副球菌的QS系统是否对其产生全局性调控？QS是否参与调控反硝化过程？基于以上科学问题，本项目研究发现：1）在脱氮副球菌中存在酰基高丝氨酸内酯信号分子（acyl-homoserine lactones, AHLs）合成酶以及AHLs识别受体，脱氮副球菌不仅能响应自身分泌的C16-HSL信号分子，进行种群内的“通讯”，并且能响应其他微生物种群产生的AHLs，进行种群间的“通讯”；2）通过同源重组的方法，构建了两株脱氮副球菌QS单元突变菌株，转录组结果表明，QS调控脱氮副球菌中重要的呼吸及能量代谢相关基因，并对一系列ABC（ATP binding cassette）转运系统产生调控作用；3）QS系统正调控螯合态铁的转运，负调控游离态三价铁的转运，且此调控过程与脱氮副球菌生物膜的形成直接相关；4）QS调控脱氮副球菌的氮素转化：厌氧条件下QS信号分子能够调控反硝化功能基因的转录，显著促进反硝化的进行。通过QS对脱氮副球菌生态位占据、铁转运、生物膜形成、反硝化过程的调控效应及机制，初步明确了QS信号分子在群体环境中调控反硝化过程及生态功能方面具有应用潜力。