功能基因篇：微生物碳循环功能基因怎么玩？快来围观！| 微生物专题

碳是地球上第四丰富的化学元素，仅次于氢、氧和氦，它是构建生命所必需的有机化合物的基本元素，如蛋白质、碳水化合物、核酸和脂类。这一元素驱动整个生物群落，并支持地球上的生物地球化学循环。无机碳进入生物圈与固碳途径有关，微生物能够介导碳循环多个重要代谢过程，具有相似功能的不同微生物群体协同驱动和调控碳循环代谢过程。

1、微生物固碳途径发展历程

碳循环的多个代谢过程经过长足的发展，并且微生物在碳循环过程中维持生态系统和功能具有重要作用。卡尔文循环(CBB）最早是在20世纪40年代初发现的碳同化最有效的机制，其存在于藻类、植物、蓝藻、变形菌门（Proteobacteria）和厚壁菌门（Firmicutes）以及光自养和化学自养细菌中（Frolov EN et al.,2019）；1966年，Evans等在光合作用的绿硫细菌中发现了第二种固碳途径-还原性三羧酸循环（rTCA)，rTCA循环可发生在许多细菌和古菌中（厌氧或兼性厌氧菌）（Evans MC et al.,1996）。Ljungdahl等于1986年发现了第三种固碳途径，即还原性乙酰辅酶A途径（Wood–Ljungdahl），存在于产甲烷菌、硫酸盐还原菌和产乙酸菌等自养的厌氧细菌和古生菌中，这些微生物可能是最早使用CO和H2等无机化合物作为能量来源、CO2作为电子受体的自养生物（Ljungdhal LG et al.,1986）。

Helge Holo和Georg Fuchs在绿色非硫细菌绿屈挠菌科（Chloroflexus aurantiacus）中发现3-羟基丙酸双循环（3-HP），其核心反应是乙酰CoA的羧化和代谢产物丙酰CoA的再次羧化（Holo H et al.,1989）。第五种固碳途径3-羟基丙酸/4-羟基丁酸循环（HP/HB）在一种嗜热古菌（Metallosphaera sedula）种发现（Berg IA et al.,2007），第六种固碳途径二羧酸/4-羟基丁酸循环（DC/HB）在一种属于脱硫球菌目（Ignicoccus hospitalis）的古菌中发现（Huber H et al.,2008），两种途径共用乙酰辅酶A。

图1 关键固碳途径发展时间轴

目前，以上6种固碳途径被研究学者广泛接受认可，随着合成生物学、生物信息学和生化分析的进步，一些自养生物不存在任何一种已被描述的CO₂固定途径的基因。直到2019年一些新的固碳方式逐渐被发现，包括还原性己糖磷酸途径（RHP）、还原甘氨酸途径（rGlyP）、反氧化TCA循环（roTCA）和巴豆酰辅酶A/乙基丙二酰辅酶A/羟基丁酰辅酶A循环（CETCH）等固碳途径（见表1）。

表1 自然和合成固碳途径比较

来源：SSC A, et al. J ADV RES. 2022

2、微生物碳循环功能基因

已经发现的6条自然固碳途径在能量来源、还原剂、关键酶及对O₂的敏感程度等有一定的差别，并且其在微生物有机体中也存在较大差别，在不同的固碳途径中不同或同源微生物可能通过编码关键酶的重要亚基的关键基因参与不同固碳途径（表2）。

除了微生物参与的固碳途径外，微生物仍能介导参与碳循环的其他代谢过程（甲烷代谢：产甲烷和甲烷氧化过程；碳降解：有机质分解过程）。甲烷代谢过程存在两个不同菌群驱动的过程，分别是严格厌氧广古门菌（Euryarchaeota）完成产甲烷过程，来自变形菌门(Proteobacteria)和疣微菌门(Verrucomicrobia)完成甲烷氧化过程。它们所涉及到的关键酶及功能基因在多种文献中报道，该功能基因或能用于检测特定环境或样本中相应菌的多样性。

表2 微生物碳循环功能基因汇总

3、微生物群落结构对土壤有机碳循环的作用

微生物作为碳功能基因的携带者及生态系统的关键组分，是驱动地球碳生物地球化学循环的重要引擎。自然界种普遍存在的有机物可作为环境微生物或土壤微生物主要营养底物和碳源，在调控碳储存等碳循环过程具有重要价值。有研究利用16S rDNA测序对不同沿海湿地进行研究，发现主要是由古菌（Nanoarchaeaeota）主导碳功能基因的组成，表明微生物对于湿地碳循环及功能基因组成的稳定性价值（Yang M et al.,2007）。

此外，在土壤或植被演替过程种，土壤类型、植被更替及其影响的土壤理化性质和土壤微生物群里的改变也都影响着碳循环功能基因的变化，Zhonga Y等人揭示了不同演替阶段土壤细菌和真菌群落发生显著变化，微生物碳循环功能基因的丰度随凋落物分解能力下降而降低（Zhonga Y et al.,2019）。既然细菌、真菌和古菌等微生物对不同生态环境的碳循环能力有关，那么微生物功能基因、微生物群落和胞外酶之间存在怎样的关系，环境因素（土壤碳和PH等）与酶效应之间的关系，Trivedi P等人通过随机森林模型整合分析了生物和非生物因素（土壤总碳，pH，微生物群落，功能基因）的影响发现微生物功能基因丰度依然是控制酶活性的最主要和直接的因素，土壤理化性质通过影响微生物群落和微生物功能基因丰度而间接影响微生物酶的活性（Trivedi P et al.,2016）。

通过宏基因组测序检测不同肥料管理和施用方式的土壤也验证了这一结果，有机肥施用促进黑土富营养型及作物潜在有益菌的生长，同时显著改变了土壤的碳氮功能基因的微生物群落结构（Hu X et al.,2022）。土壤有机碳是地球表层陆地生态系统最大的碳库，其动态平衡不仅反映了生物群落组成和生态功能的变化，也深刻影响着微生物群落与碳循环功能稳定的关系，对农业生产和生态保护具有重要意义。

图2 微生物环介导的土壤碳(C)循环

References参考文献

1.Frolov EN, Kublanov IV, Toshchakov SV, Lunev EA, Pimenov NV, Bonch-Osmolovskaya EA, et al. Form III RuBisCO-mediated transaldolase variant of the Calvin cycle in a chemolithoautotrophic bacterium. Proc of the Nat Aca of Scien 2019;116(37):18638–46.

2.Evans MC, Buchanan BB, Arnon DI. A new ferredoxin-dependent carbon reduction cycle in a photosynthetic bacterium. Proce. of the Nat. Aca of Scien of the Unit Sta of Amer 1996;55(4):928.

3. Ljungdhal LG. The autotrophic pathway of acetate synthesis in acetogenic bacteria. Ann Rev of Microb 1986;40(1):415–50.

4. Holo H. Chloroflexus aurantiacus secretes 3-hydroxypropionate, a possible intermediate in the assimilation of CO2 and acetate. Arch of Micro 1989;151(3):252–6.

5. Berg IA, Kockelkorn D, Buckel W, Fuchs G. A 3-hydroxypropionate/4-hydroxybutyrate autotrophic carbon dioxide assimilation pathway in Archaea. Scien 2007;318(5857):1782–6.

6.Huber H, Gallenberger M, Jahn U, Eylert E, Berg IA, Kockelkorn D, et al. A dicarboxylate/4-hydroxybutyrate autotrophic carbon assimilation cycle in the hyperthermophilic Archaeum Ignicoccus hospitalis. Proc of the Nat Acad of Scien 2008;105(22):7851–6.

7. Berg IA. Ecological aspects of the distribution of different autotrophic CO2 fixation pathways. Appl and Envir Micro 2011;77(6):1925–36.

8.Kono T, Mehrotra S, Endo C, Kizu N, Matusda M, Kimura H, et al. A RuBisCO-mediated carbon metabolic pathway in methanogenic Archaea. Natu comm 2017;8(1):1–12.

9.Figueroa IA, Barnum TP, Somasekhar PY, Carlström CI, Engelbrektson AL,Coates JD. Metagenomics-guided analysis of microbial chemolithoautotrophic phosphite oxidation yields evidence of a seventh natural CO2 fixation pathway. Proc of the Nat Acad of Scien 2018;115

(1):92–101.

10.Mall A et al. Reversibility of citrate synthase allows autotrophic growth of a thermophilic bacterium. Scien 2018;359(6375):563–7.

11. Schwander T, von Borzyskowski LS, Burgener S, Cortina NS, Erb TJ. A synthetic pathway for the fixation of carbon dioxide in vitro. Scie 2016;354(6314):900–4.

12.Yang M, Liu N, Wang B, Li Y, Li J and Liu C-Q (2022) Archaeal contribution to carbon-functional composition and abundance in China’s coastal wetlands: Not to be underestimated. Frontiers in Microbiology, 13: 1013408.

13.Zhonga Y , Yanb W , Wanga R , et al. Decreased occurrence of carbon cycle functions in microbial communities along with long-term secondary succession[J]. Soil Biology and Biochemistry, 2018, 123:207-217.

14.Trivedi P , Delgado-Baquerizo M , Trivedi C , et al. Microbial regulation of the soil carbon cycle: evidence from gene–enzyme relationships[J]. Isme Journal, 2016.

15.Hu X, Gu H, Liu J, Wei D, Zhu P, Cui X, Zhou B, Chen X, Jin J, Liu X, Wang G. Metagenomics reveals divergent functional profiles of soil carbon and nitrogen cycling under long-term addition of chemical and organic fertilizers in the black soil region. Geoderma. 2022. 418: 115846.

Related Reading相关阅读
点击下方图片进入云平台资料汇总：
所见即所得，绘图高规格联川云平台，让科研更自由