【派森诺项目文章】开启土壤微生物组磷代谢功能基因研究新篇章
发表期刊
《Biology and Fertility of Soils》
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派森诺生物对微生物组rRNA可变区和ITS序列的高通量测序已取得了一系列丰硕的成果，同时，不仅如此，我们在对微生物代谢所涉及的特定功能基因的研究领域也积累了多年的丰富经验，硕果累累。继2015年与厦门大学合作，在《FEMS Microbiology Letters》发表好氧不产氧光合作用细菌的相关研究成果之后，近期与南京农业大学再次合作，在《Biology and Fertility of Soils》（最新影响因子3.069）上发表论文，揭示了长期施肥耕作对土壤中碱性磷酸酶代谢菌群的影响。
1. 研究背景
磷元素对植物生长和农作物收益至关重要。在土壤生态系统中，磷元素通常存在于矿物中而难以直接被植物吸收，却又很容易流失造成水体的富营养化。同时，土壤中30~50%的磷以有机磷的形式存在，只有当其被磷酸酶矿化成无机磷后，才能被植物和土壤微生物吸收和进一步利用。磷酸酶分为酸性磷酸酶和碱性磷酸酶（Alkaline phosphomonoesterase，ALP），主要由土壤微生物分泌，并在土壤磷元素的代谢循环中起关键作用。在碱性磷酸酶家族中，phoD基因被认为是土壤中最重要的碱性磷酸酶基因。农业上，长期施肥耕作将会影响土壤中编码phoD基因的磷代谢微生物群落发生变化，但是其中的影响和互作关系还尚未被充分研究。
2. 研究目的
长期施肥将会影响土壤中营养物质的循环及其可用性，为揭示其具体作用方式，本研究探讨不同的长期施肥方式对土壤有机磷组分、编码碱性磷酸酶ALP基因的微生物群落组成以及碱性磷酸酶活性的影响，并比较不同土壤颗粒组分中，编码phoD基因的微生物群落对不同施肥方式的响应。
3. 研究方法
测序技术：Illumina MiSeq高通量测序平台
测序模式：微生物组phoD基因测序
实验对象：5种不同处理下的长期施肥（从1981年起）土壤
实验设计：不施肥对照组（CK）、全矿物肥组（NPK）、中剂量有机肥和矿物肥混合组（MNPK）、高剂量有机肥和矿物肥组（HMNPK）、全有机肥组（M），每个处理取3个生物学重复，共15个样品，每份样品取自地下0~20 cm处的土壤，在每个点取10个直径5cm的样本并混合均匀。
4. 研究结果
对15份土壤样品进行土壤理化性质分析、碱性磷酸酶活性检测、phoD基因的定量PCR检测、phoD基因高通量测序等实验，并对高通量测序结果进行物种组成和丰度差异比较分析。
不同的施肥处理方式显著影响了土壤的理化性质，例如pH值在M组和HMNPK组里有所升高，而在NPK、MNPK及CK组都呈下降趋势。
ALP酶活检测显示M组里ALP酶活最高，CK组次之，而在NPK组最低。
实时荧光定量PCR检测phoD基因的结果表明，其变化趋势与ALP酶的活性类似，M组最高而NPK组最低；在土壤不同组分中，编码phoD基因的功能菌数量差异明显，在泥沙组分里（2~63 微米）丰度最多，在粗砂组分里（200~2000 微米）丰度最少，且不同土壤组分中功能菌的相对丰度与施肥处理方式有关。
编码phoD基因的功能菌的Alpha多样性指数分析，M组和CK组的多样性显著低于其它三组。
RDA冗余分析结果表明，不同施肥处理组的phoD功能菌（以不同颜色的实心圆圈表示）整体组成差异显著；红色箭头射线代表各类解释因子和响应变量，射线越长，表明该因素对土壤中phoD功能菌的影响越大，如ALP活性、pH值、土壤EC值、磷元素总量（TP）、可利用磷含量（AP）、不稳定有机磷含量（LPo）、 、溶解有机碳浓度（DOC）等，都和phoD功能菌组成高度相关。
系统发育树分析显示，土壤中phoD功能菌的在门水平主要由Actinobacteria和Proteobacteria组成，在属水平主要包括Actinoplanes、Micromonospora、Streptomyces、Bradyrhizobium、Burkholderia和Lysobacter。
通过结构方程模型可知，phoD功能菌的组成和丰度、以及pH值等因素都能显著影响ALP活性，并能解释土壤中ALP酶活98%的变化，而土壤细菌总量、溶解有机碳浓度（DOC）等因素则从中介导了上述影响过程。
总结
本研究打破固有的基于rRNA基因的菌群组成高通量测序思路，通过phoD基因对磷代谢相关的功能菌群进行测序分析，更加准确高效地对编码碱性磷酸酶的微生物组进行研究，并结合酶活测定、实时荧光定量qPCR等方法，系统揭示了不同施肥处理在长期作用下，对土壤磷代谢微生物群落的影响，从而为农业耕作和土壤管理提供有力的科学根据。
本研究的测序和数据分析工作由上海派森诺生物科技股份有限公司完成。
Gongwen Luo, Ning Ling, Paolo Nannipieri, Huan Chen, Waseem Raza, Min Wang, Shiwei Guo, Qirong Shen. (2017). Long-term fertilisation regimes affect the composition of the alkaline phosphomonoesterase encoding microbial community of a vertisol and its derivative soil fractions. Biol Fertil Soils. doi: 10.1007/s00374-017-1183-3
文案 微生物组事业部
派森诺生物
上海派森诺生物科技股份有限公司成立于2011年4月，总部坐落于上海市徐汇区聚科生物园区。派森诺生物是一家从事基因测序相关领域的科学研究与医学检测服务的高新技术企业，公司下设两家全资子公司：上海桑尼生物科技有限公司和上海派森诺医学检验所有限公司，经过多年的发展，公司已搭建了一代、二代、三代最完善的测序平台及生物信息分析平台，为客户提供包括高通量基因测序、临床医学基因检测、生物信息学服务、生物云计算、分子生物学实验、DNA合成等在内的一站式、全方位服务和系统解决方案。公司组建了国内一流水平的技术、研发、信息分析和管理团队，致力于成为国内领先的基因测序技术服务企业。
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