一、土壤微生物多樣性形成與維持機制 

• 植物群移出導(dǎo)致的植物生產(chǎn)力降低限制的土壤微生物功能多樣性

二、土壤元素循環(huán)的微生物驅(qū)動機制

• 通過微生物基因組揭示含水層系統(tǒng)中相互關(guān)聯(lián)的地球生物化學(xué)過程

三、土壤微生物組的資源與環(huán)境功能

• 新型土壤細菌具有不同的次生代謝物生物合成基因

四、土壤微生物組的新技術(shù)及應(yīng)用

• 關(guān)于這第四個命題，我們今天分享一篇非常經(jīng)典的多組學(xué)文章。

雖然這篇文章發(fā)表在2015年，但經(jīng)典就是經(jīng)典，模仿者前仆后繼足以說明這篇文章的影響力有多大了。

測序平臺：

• 454 platform for 16S rRNA sequencing

• Illumina GAII sequencing platform (PE113) for metagenome sequencing

• Illumina HiSeq (PE150) for metatranscriptome sequencing

• HPLC-MS/MS for metaproteome research

研究背景：

超過20%的地球陸地表面被富含碳的凍土所覆蓋，未來這些凍土一旦解凍將成為生物圈向大氣層轉(zhuǎn)移碳的最大的代表。這種過程很大程度上依賴于微生物的反應(yīng)，但是我們對于完整的微生物的活動所知甚少，更不用說融凍過程及凍土了。最近基于分子生物學(xué)手段揭示了一些凍土中微生物的特征及功能基因組成以及在短期解凍實驗過程中功能基因組成的快速轉(zhuǎn)變。然而凍土碳的命運依賴于氣候、水文及微生物在年代尺度上解凍過程中的響應(yīng)。本文運用組合的幾種分子組學(xué)手段來確定微生物群落的系統(tǒng)發(fā)育組成，包括幾個新物種的基因組草圖、微生物群落的功能潛能及在不同解凍狀態(tài)下土壤（永久凍土、季節(jié)性的融凍土及熱巖溶沼澤土）中的活動。

研究方法：

分析方案：

研究結(jié)果：

1. 以土壤類型及孵化溫度為變量使用two-way方差分析Fe（III）的還原、硫酸鹽和亞硫酸鹽的利用、厭氧條件下反硝化作用和CH4的通量、有氧和厭氧CO2的產(chǎn)量差異（除NO3的減少外，其它過程速率均隨溫度身高而增加）。 

2. 16S、MG、MT數(shù)據(jù)獲得的物種豐度信息具有一致性（r > 0.9 for 16S:MG and MG:MT; r > 0.8 for 16S:MT）。融凍土中具有更豐富的物種及功能多樣性，與先前的研究結(jié)果一致。 

3. 計算：r = MT/MG（Taxon）根本比值來判斷物種的相對活性，不同樣本類型中活性物種分布不同。

4. 通過MG bins構(gòu)建的新物種基因組草圖中包含許多引人注目的特征，如Fe（III）吸收、轉(zhuǎn)運及還原、N循環(huán)、甲烷氧化、甲烷合成等功能，這些結(jié)果與土壤過程速率具有良好的相關(guān)性。DDH相似度低的基因組bins代表新的物種。

5. 基于MG/MT數(shù)據(jù)功能分析發(fā)現(xiàn)許多基因參與到特殊的生物化學(xué)過程，如：反硝化、硝酸鹽還原、鐵還原及甲烷氧化等，這些結(jié)果與過程速率測量結(jié)果相一致。其中熱巖融沼澤土壤產(chǎn)甲烷功能最高。 

6. 相比凍土，融凍土注釋到參考基因組上的蛋白更多，表征融凍土中活性物種更豐富。在沼澤土中檢測到許多蛋白注釋到產(chǎn)甲烷微生物中，如Methanosarcina mazei, Methanosaeta concilii, Methylobacterium nodulans, Methanoflorens stordalenmirensis，表征沼澤土具有很高的產(chǎn)甲烷率。 

7. 三種土壤類型共有許多基因、轉(zhuǎn)錄本及蛋白。相較于融凍土及沼澤土，凍土獨有的轉(zhuǎn)錄本較低而蛋白較多。 

8. 沼澤土壤中產(chǎn)甲烷/甲烷氧化功能類群相對豐度顯著高于凍土及融凍土。 

9. 凍土中檢測到高豐度的冷休克蛋白，并檢測到許多蛋白參與到細胞趨化及運動過程中。相比其它兩種類型樣本，凍土中只檢測到很少類型的轉(zhuǎn)運蛋白。 

10. 融凍土中也檢測到幾種冷休克蛋白，并檢測出幾種高豐度的轉(zhuǎn)運蛋白，預(yù)示著在土壤解凍過程中營養(yǎng)物種運輸?shù)木薮蟮臐撛谛枨蟆?/span>

11. 不同于其他兩種類型樣本，沼澤土壤中只檢測到很少的一部分與耐寒或其他耐受性相關(guān)的蛋白。 

研究結(jié)論：

本文運用組合的幾種分子組學(xué)手段來確定微生物群落的系統(tǒng)發(fā)育組成，包括幾個新物種的基因組草圖、微生物群落的功能潛能及在不同解凍狀態(tài)下土壤（永久凍土、季節(jié)性的融凍土及熱巖溶沼澤土）中的活動?；诙嘟M學(xué)研究策略揭示主要生物過程中過程速率與組學(xué)數(shù)據(jù)間良好的相關(guān)性，如沼澤中甲烷的生成及凍土中潛在活性微生物的新的生存策略。

參考文獻：

Hultman J, Waldrop M P, Mackelprang R, et al. Multi-omics of permafrost, active layer and thermokarst bog soil microbiomes[J]. Nature, 2015, 521(7551): 208-212.

編輯：折耳狗

結(jié)語：在此感謝梅花小豬老板贈送的一個大洋，社會了我的佩奇哥！

點擊下方閱讀全文報名參加美吉微生態(tài)培訓(xùn)班，最后一波優(yōu)惠不容錯過！