中科院朱永官团队揭示酸性硫酸盐土中氧化还原波动的微生物响应机理|研究

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在研究中，通过宏基因组序列组装，获得八个关键微生物基因组草图；该研究成果揭示了宏基因组研究可以在全局的层面解析微生物群落对环境变化的响应和适应机制，特别是微生物群落在酸性土壤中的生态适应性和生存策略。该项研究为未来挖掘环境微生物组的功能进行了有益的探索。

文/陈能场（广东省生态环境技术研究所研究员、土壤观察微信公号主编）、 董文茂（土壤观察微信公号执行主编）

来源：土壤观察微信公号原创（2016年12月12日）

日前，TOP学术期刊《土壤生物学和生物化学》(Soil Biology & Biochemistry. SCI因子>4.0)网上刊出了中国科学院城市环境研究所所长朱永官团队发表的一篇将于明年正式发刊的文章--Metagenomic assembly unravel microbial response to redox fluctuation in acid sulfate soil（宏基因组学解开酸性硫酸盐土壤中氧化还原波动的微生物响应）。这项研究采用先进的宏基因组学方法揭示酸性硫酸盐土中潜在的硫还原相关的代谢路径，通过宏基因组序列组装，获得八个关键微生物基因组草图;该项研究为未来挖掘环境微生物组的功能进行了有益的探索。

先进的研究方法--宏基因组学

    宏基因组学（图片引自网络）

土壤是微生物的大本营，而微生物是土壤生态系统的核心，土壤微生物中隐藏着巨大的资源，从土壤中找到了抗生素便是其中一例，事实上，土壤微生物组成复杂、类群繁多、数量巨大、功能多样，在有机物的分解与转化、养分循环与利用、土壤肥力形成、温室气体产生、污染环境净化等起着关键作用。随便一把土，其含有的微生物比地球上的人口还要多。

1663年，荷兰显微镜学家列文虎克（Antony van Leeuwenhoek）利用自制显微镜首次揭开微生物神秘的面纱。此后至今，人类通过纯培养来分离、认识微生物，但至今人们发现通过纯培养方法估计的环境微生物多样性只占总量的0.1%~1%，且大量微生物无法进行培养得到分离。最重要的是土壤微生物的功能往往不是单一生物产生作用。在这种情况下，微生物的多样性资源难以得到全面的开发和利用。

1998 年，Handelsman首先提出了宏基因组( metagenome) 的概念，将“土壤微生物的全部基因组”集合起来研究，由此发展起来的宏基因组学(Metagenomic)技术绕过微生物菌种分离培养这一技术难关, 从微生物的天然环境中直接提取基因组遗传物质, 对微生物群体进行研究分析, 丰富了人们对于微生物群体生态和进化的认识, 最大限度地挖掘微生物资源, 使环境微生物的研究不只集中在“确定它们是什么”, 还能绕过培养环节而聚焦于“确定它们能做什么”。

目前在国内利用宏基因组学展开土壤微生物学的研究还很少，也极少能够通过宏基因组手段组装出完整的而且新的微生物基因组。

特别的研究对象--酸性硫酸盐土

红树林下的酸性硫酸盐土（图片引自网络）

在各种各样的土壤类型中，位于热带、亚热带沿海三角洲平原和低洼地的土壤具有其独特性质，它具有富含还原性硫化物的成土母质或土层，被称为酸性硫酸盐土。

酸性硫酸盐土在人类不合理的活动干扰或者特定环境及其变异背景下，处于还原态的硫会通过氧化后产生硫酸而暴发酸害，进而可导致农业生态系统、淡水与河流生态系统、港湾生态系统、道路交通、城市建筑乃至整个区域生态系统的恶化和崩溃，被称为地下的“化学炸弹”。因此酸性硫酸盐土研究不仅仅是一个纯土壤学问题, 而更重要的是一个生态环境问题。

全球约有1700-2400万公顷的酸性硫酸盐土，其中亚洲650万公顷，非洲450万公顷，澳洲300万公顷，拉丁美洲300万公顷，其余零星分布于欧洲(以芬兰和瑞典为主) 和北美。我国酸性硫酸盐土面积约11.2万公顷，主要分布在广东、广西、海南、福建等地区，其中广东省分布面积最大，约占我国酸性硫酸盐土总面积的60% 左右。

研究成果简介

Metagenomic assembly unravel microbial response to redox fluctuation in acid sulfate soil（宏基因组学解开微生物对酸性硫酸盐土壤中氧化还原波动的反应）一文采用宏基因组深度测序的方法，研究厌氧和有氧条件下酸性土壤中微生物群落结构组成和功能基因的特征，进而阐明微生物群落结构和功能与硫转化和土壤酸化动态变化的关系。

基于宏基因组的深度测序和生物信息学的分析，该项研究构建了关键微生物种群的基因组草图，揭示潜在的硫还原相关的代谢路径。

研究结果表明，有氧培养显著改变表层土和土壤母质中的微生物群落，并且减少了土壤母质中的古菌群落。酸性土壤母质的硫循环相关基因相对丰度显著高于表层土，而且通过好氧氧化多个硫氧化基因的丰度增加。

在研究中，通过宏基因组序列组装，获得八个关键微生物基因组草图，其中三个分别属于Thermoplasmatales, Acidothermales (Acidothermus) 和 Acidimicrobiales的新的菌株。这些菌株的基因组功能基因注释表明主要是硫还原基因和酸耐受基因。

该研究成果揭示了宏基因组研究可以在全局的层面解析微生物群落对环境变化的响应和适应机制，特别是微生物群落在酸性土壤中的生态适应性和生存策略。该项研究为未来挖掘环境微生物组的功能进行了有益的探索。

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