非典型氧化亚氮还原酶基因在细菌生态适应性及环境氮转化中的作用

Nitrous oxide (N2O) is a greenhouse gas with more than 300 folds higher warming potential than that of CO2. The contribution of its emissions to the global warming can not be ignored. The global N2O source has exceeded the global N2O sink, resulting in a 20% increase of the atmospheric N2O concentration in the past 100 years. Nitrous oxide reductase encoded by nosZ gene is the only identified biological "N2O sink". The capacity of "Sink" strongly impacts the N2O emissions. Recently, a category of atypical nosZ gene was found. But due to the lack of knowledge on the physiological ecology of the high diverse atypical nosZ genes, whether they play an important role in the global ecological system as a “N2O sink” is still a controversy. The aim of this project is to elucidate the ecological adaptability of typical or atypical nosZ gene and their contribution acted as N2O sink. We will carry out our study at three levels, strain level, artificial community level and natural community level, under different conditions with varying environmental factors. Combining the physiological data in the population level and the ecological data of environmental samples, we intend to clarify the functional potential of the two kinds of nosZ genes under different ecological conditions. Finally, the ecological significance of atypical nosZ genes will be defined. This project will provide theoretical basis for the study of the global nitrogen transformation, especially the biological mechanism of "N2O sink".

氧化亚氮（N2O）的单位体积温室效应是CO2的300倍，对全球变暖的贡献不容忽视。全球大气中的N2O浓度在过去100年内增长了20%。nosZ基因编码的氧化亚氮还原酶是唯一可转化N2O为N2的生物“N2O汇”，可减少N2O气体的净排放量。近年新发现了一类非典型nosZ基因，但对极多样的具有非典型nosZ基因的细菌的认识匮乏，对“N2O汇”的贡献不明。本研究将分别从来自同一株细菌的两种nosZ基因单一敲除株的共培养、构建人工群落和复杂环境群落三个层次，在不同环境条件下进行培养，研究携带两种不同类型nosZ基因的细菌生长、丰度和活性的变化，探明两类基因对细菌生态适应性和还原N2O能力的影响。研究结果结合种群细胞水平的生理数据和模拟环境样品的生态数据，从多维角度阐明两类nosZ基因在不同生态条件下的功能潜势，明确非典型nosZ基因的生态功能地位。将为揭示N2O生物转化与减排的生态学机制奠定基础。

非典型nosZ是2012年提出的一类氧化亚氮还原酶，由非典型nosZ基因编码形成，它与典型nosZ基因具有不同的基因结构和生态分布。但是对这两类酶的生态学意义还缺乏足够认识。本项目对同时携带nosZ I与nosZ II两种氧化亚氮还原酶基因的细菌Thauera linaloolentis 47Lol菌株制备了分别缺失其中一个还原酶基因和双缺失的突变株，并以缺失突变株对菌株反硝化和氧化亚氮还原的表型开展了系统研究。主要考察了不同碳源、氧气浓度、N2O浓度、亚硝酸盐浓度等对两株nosZ突变株还原N2O的影响，比较了Thauera linaloolentis所含的两个nosZ基因所具有的不同的生理生态学特点，发现非典型的nosZ基因编码的酶在反硝化还原N2O时有一个比较明显的滞后期，但非典型nosZ的N2O还原酶反应速率快于典型nosZ编码的N2O还原酶。通过不同亚硝酸盐和N2O搭配条件下，两株突变株培养瓶中气体变化、基因表达变化、电子传递速度等的分析，发现亚硝酸盐对非典型氧化亚氮还原过程具有抑制效应，并且这种抑制作用并非发生在转录水平，而是在酶水平上的影响，初步判定可能是由于亚硝酸盐对非典型氧化亚氮还原酶的电子传递的抑制而抑制了氧化亚氮的还原，解释了亚硝酸盐抑制非典型nosZ的N2O还原的调控机理。通过两种类型的nosZ基因缺失突变株的不同培养条件的正交试验和共培养实验，发现两种nosZ突变株在不同生长条件下的竞争优势的差异。两种nosZ有不同的最适pH，另外，非典型nosZ比典型nosZ更容易受到氧气和有氧无氧转换的影响，但绝对N2O还原速率更快，这反映了两种类型的nosZ基因在生理学和生态学方面的差异。两类nosZ基因的突变株的共培养实验进一步证实了两株菌的竞争力。本研究揭示了所研究的两种氧化亚氮还原酶基因的生理功能的差异，阐明了它们在不同生态环境条件下对细菌菌株的生态适应性的机制，说明了两种类型的nosZ基因在生态位和生存策略上的差异，这对认识两种类型的nosZ基因的生态意义和为制定减少环境中氧化亚氮的排放措施具有重要的指导意义。