發(fā)表期刊：msystems 發(fā)表時間：2023 影響因子：6.4 DOI:?10.1128/msystems.00315-23

01、

研究背景

與空白土壤相比，植物根系和根際細(xì)菌之間的相互作用調(diào)節(jié)了氮（N）的循環(huán)過程，并創(chuàng)造了富含低分子量化合物（分泌物）和復(fù)雜的有機(jī)分子（腐爛的根凋落物）的生境。微生物氮循環(huán)受到土壤條件和來自許多相互關(guān)聯(lián)的代謝途徑的基因的調(diào)節(jié)，但大多數(shù)土壤氮循環(huán)基因表達(dá)的研究都集中在單一途徑上。目前，對土壤氮循環(huán)基因調(diào)控、空間棲息地和時間之間的相互作用缺乏全面的了解。

02、

研究方法

本研究分析了在存在或不存在根凋落物的情況下從3周時間序列（3、6、12和22天）中收集的根際和空白土壤中的48個宏轉(zhuǎn)錄組，以確定一年生草本燕麥草（

Avena fatua

）根系活躍生長過程中4種土壤生境（根際、腐殖際、根際/腐殖際、空白土壤）相關(guān)的主要氮循環(huán)途徑以及氮轉(zhuǎn)化的基因表達(dá)。

03、

主要結(jié)果

01、

氮循環(huán)基因的途徑表達(dá)

研究結(jié)果表明，基于Bray-Curtis的氮循環(huán)基因表達(dá)的主坐標(biāo)分析（PCoA）顯示，最后時間點的氮循環(huán)基因表達(dá)（T4；22天）明顯不同于其他時間點（圖1A）。僅對前三個時間點（3、6和12天）進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)根際和空白土壤顯示了額外的聚類（圖1B）。根凋落物和活根的存在顯著改變了氮循環(huán)基因表達(dá)的軌跡。 為了確定4種土壤微生境（根際、腐殖際、根際/腐殖際和空白土壤）中主要的氮循環(huán)途徑，本研究計算了同一時間點未修正的空白土壤中根系和凋落物的表達(dá)量的log2比例差異表達(dá)量。與整體土壤相比，一些參與無機(jī)氮同化的相關(guān)基因在根際顯著上調(diào)：同化硝酸鹽還原基因

nasA

、

NR

和

nirA

、谷氨酸脫氫酶

gdh2

、GS/GOGAT基因

glt1

和

gltB

（圖2）。在腐殖際中，與未修正的空白土壤相比，凋落物的存在還引發(fā)了大分子有機(jī)氮降解（細(xì)胞外蛋白酶和幾丁質(zhì)酶），以及異化途徑、異化硝酸鹽還原（DNRA）和反硝化途徑。

圖1 氮循環(huán)基因表達(dá)的主坐標(biāo)分析

圖2 組裝轉(zhuǎn)錄本中氮循環(huán)基因的表達(dá)水平和通過土壤生境實現(xiàn)的上調(diào)

02、

古菌的硝化作用

本研究鑒定的兩個表達(dá)量最高的基因是氨單加氧酶的亞基，這是硝化途徑中的第一個酶。為了確定哪些類群負(fù)責(zé)銨氧化基因的高表達(dá)，本研究將組裝轉(zhuǎn)錄本中鑒定的13個

amoA

?ORFs與RefSeq數(shù)據(jù)庫中的全長

amoA

參考序列一起放入系統(tǒng)發(fā)育樹中（圖3）。

系統(tǒng)發(fā)育分析表明，158個由

nirk

組裝的orf中有96個屬于古細(xì)菌分支，與

amoA

的情況一樣，結(jié)果顯示，古菌變異招募了超過95%±0.07%的reads映射到

nirK

（圖3B）（n = 16）。

圖3 用

amoA

、

nirK

和16S rRNA測定硝化菌的系統(tǒng)發(fā)育過程

03、

銨的同化和轉(zhuǎn)運途徑

谷氨酸合成酶（GS/GOGAT）是表達(dá)量最高的銨獲取途徑，它可以在氮限制下由四種酶級聯(lián)激活（圖4A）。銨離子轉(zhuǎn)運蛋白和GS/GOGAT（

glnA

;圖4B）在幼齡凋落物處理的根際（根際凋落物，3天）和空白土壤（大塊凋落物，22天）中顯著上調(diào)（圖4B）。在所有實驗條件下，GS/GOGAT的表達(dá)量均比GDH（谷氨酸脫氫酶）高一個數(shù)量級（圖4C）。GS/GOGAT調(diào)節(jié)蛋白

glnD

、

glnG

和

glnL

的表達(dá)在根際顯著上調(diào)，尤其是在幼根際（圖4D）。

圖4 銨態(tài)同化途徑及其調(diào)控基因的表達(dá)

04、

研究結(jié)論

綜上所述，本研究對四種常見土壤生境中所有主要氮循環(huán)途徑的基因表達(dá)情況進(jìn)行了綜合分析。同化基因在腐殖際和根際土壤中的表達(dá)均趨于升高，而反硝化和DNRA等異化過程主要在富含有機(jī)碳的土壤中表達(dá)上調(diào)。導(dǎo)致系統(tǒng)中氮損失的過程在活根附近被下調(diào)。雖然基因表達(dá)水平不一定能預(yù)測蛋白質(zhì)豐度或酶活性，但宏轉(zhuǎn)錄組學(xué)的使用能夠跟蹤多種途徑，并以精細(xì)尺度的空間和時間分辨率識別權(quán)衡。 參考文獻(xiàn)：

Rhizosphere and detritusphere habitats modulate expression of soil N-cycling genes during plant development. msystems, 2023.