土壤氨氧化细菌的群体感应信号分子及对氨氧化影响的研究

Ammonia oxidation is the first and rate-limiting step in the nitrification process of the nitrogen cycle.The process is not only influenced by microbial communities,composition and environmental factors,but also driven by signal molecules secreted by microbes themselves.Microbes communicate with one another using quorum sensing (QS). QS bacteria produce and release chemical signal molecules termed autoinducers to regulate the gene expression and metabolism. This process allows bacteria to monitor the environment for other bacteria and to alter behavior on a population-wide scale. Recent evidence shows that autoinducers not only control cell density, but also alter the metabolic network in bacterial cells. However, there is no clear answer for autoinducers produced by ammonia oxidizing bacteria (AOB) and the association between QS and process of ammoxidation regulation. So this project is designed to answer a few scientific questions: 1) whether there are QS signals produced by AOB which play a key role in the nitrogen cycle; 2) to discuss the mechanisms of control and regulation of the ammoxidation process by autoinducers; 3) whether these QS signals have effects on community structure of ammonia oxidizing microbes in soil environment. Identification of the communication networks and the unraveling of QS metabolic process will present a meaningful story to complete the nitrogen cycle.

土壤氨氧化细菌的氨氧化作用是氮循环硝化作用的第一步反应，是限速步骤，氮循环的微生物过程不仅受微生物种群、结构特征、环境因子的影响，还受微生物本身产生的信号分子的调控。群体感应（Quorum sensing,QS）是微生物种群内与微生物种群间的一种通讯方式，它通过群体感应信号分子来调节种群表达与代谢，使个体行为成为群体行为。研究发现,群体感应信号分子不仅调控细胞密度，同时能调控细菌的多个代谢网络。本申请拟回答以下科学问题：氨氧化细菌是否具有QS基因单元？QS系统是否对氨氧化细菌的关键功能产生调控？QS如何影响硝化过程中的种群关系？项目的完成预期可以在个体水平以及微生物生态学层面上初步认识QS对微生物氨氧化过程的作用机制、调控原理及其生态学功能。

微生物是驱动氮元素等物质循环的引擎，N循环中的生物过程及其中物质流与信息流的解析是当前研究微生物生态系统功能最为关注的领域。其中微生物间互作机制是理解物质循环与生物群落耦合及协调控制的最为重要的科学问题之一。微生物通过各种生物活性分子来实现微生物的互作和代谢变化来应对环境过程的变化，而在N循环的各个过程中，群体感应（quorum sensing, QS）在其中的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：氨氧化细菌是否具有QS 基因单元？QS 系统是否对硝化功能产生调控？QS 如何影响硝化过程中的种群关系？基于以上科学问题，本课题研究发现：1）在硝化过程的氨氧化细菌模式菌中，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，并通过异源表达完成了I/R（信号分子合成酶/信号分子受体）调控系统的验证；2）发现氮循环过程中的功能微生物普遍存在着群体感应调控系统。土壤硝化过程中的功能菌存在群体感应系统且产生一个结构未被报道的高丝氨酸内酯信号分子，该信号分子能够促进亚硝酸盐的吸收及转化；3）原位土壤中受信号物质影响的氨氧化功能微生物类群。通过硝化过程的功能菌个体群体感应分子机制的揭示以及在原位土壤中群感效应对氨氧化细菌的调控作用，我们揭示了氨氧化、硝化细菌个体细胞所包含的QS功能单元，初步明确了信号分子在群体环境中改变氨氧化群落组成及生态功能方面能够发挥作用。