反硝化功能基因—— 检测反硝化菌种群结构的分子标记

反硝化菌种类繁多, 且分属多个分类学上的不同种属, 故不能利用常规的16S rRNA测序方法对其进行研究。利用编码反硝化酶的功能基因作为分子标记, 可以有效研究环境样品中反硝化菌的种群结构、数量以及活性等。本文重点介绍了主要的反硝化功能基因以及常用的扩增引物, 分析了反硝化功能基因与16S rRNA系统发育之间的关系, 比较了nirS和nirK基因菌的群落分布特征, 对目前反硝化功能基因的研究和应用现状进行了综述, 讨论了研究中发现的新问题, 期望为研究复杂微生物的生态特征提供参考。     

宏基因组技术在氮循环功能微生物分子检测研究中的应用

氮循环是最重要的生物地球化学循环之一,而微生物是驱动自然环境中氮循环最重要的动力。应用宏基因组技术来研究自然环境中直接参与氮循环的功能微生物类群的总量和多样性是近年来环境微生物的研究热点之一。本文总结最新氮循环功能微生物类群的研究发现,聚焦各转化过程中(包括固氮、硝化、反硝化、厌氧氨氧化、氮同化/异化还原、氨化和同化作用等)分子标记基因的选择,重点介绍通过这些标记基因的分子检测方法在自然环境中检测到的微生物功能类群的分布状况,最后指出分子检测技术的革新和完善的数据分析平台的建立对未来氮循环功能微生物研究的重要意义。     

干湿交替对生物滞留系统中氮素功能微生物群落的影响

【目的】为探究生物滞留系统干湿交替下环境因子对氮素功能微生物群落的影响。【方法】应用高通量测序技术(Illumina MiSeq PE300),并以amoA和nirS功能基因为分子标记,对无植物型和植物型生物滞留系统在干湿交替下不同土壤空间位置(种植层、淹没层)的硝化和反硝化细菌的多样性和群落结构进行研究,并对微生物群落与环境因子的相互关系进行相关性分析。【结果】微生物种群的功能基因存在显著的空间差异,相比淹没层,种植层的功能细菌更丰富。种植层的OTUs高于淹没层,而进水再湿润促使两种功能基因在种植层和淹没层的OTUs占比差异性增大。群落组成分析表明,amoA型硝化细菌和nirS型反硝化细菌的优势细菌门均为变形菌门(Proteobacteria)。虽然植物根系对氮素功能微生物的多样性指数影响不显著,但在属水平上,植物系统种植层的反硝化菌群种类高于淹没层,而无植物系统则刚好相反。CCA/RDA分析表明,土壤空间位置是影响硝化和反硝化菌群结构的最重要环境因子。【结论】本研究证实干湿交替运行下生物滞留系统中的氮素功能微生物群落受土壤空间位置、水分含量和植物根系的共同调控,其机制有待进一步研究。     

真菌对土壤N2O释放的贡献及其研究方法

N₂O是一种重要的温室气体,而土壤作为N₂O的重要来源之一,其N₂O主要产生于硝化和反硝化作用的生物过程.研究表明细菌和古菌是这些生物过程的主要参与者,然而在特定土壤生态系统中,真菌在N循环过程中起主要作用.但真菌对土壤N₂O释放贡献的研究报道甚少.本文阐述了土壤真菌N₂O产生机制的研究进展,介绍了自养硝化、异养硝化和反硝化过程的发生机理、关键微生物和功能基因.详细介绍了与真菌有关的N₂O产生过程,真菌的异养硝化作用和反硝化作用,并且比较了真菌和细菌反硝化系统的差异.此外,本文重点总结了研究土壤真菌N₂O产生的主要方法,包括选择抑制剂法、^15N标记、分离和纯培养以及免培养的分子生态学方法,对各种方法的优势和弊端进行了探讨,并对今后的研究工作提出了展望.     

功能基因在反硝化菌群生态学研究中的应用

具有反硝化功能的微生物分布非常广泛,与系统分化无关,因此16SrRNA不适合分析环境中的反硝化群落。目前,利用功能基因分析环境样品中的反硝化群落成为研究热点。本文介绍了反硝化过程的分子生物学基础,比较了环境样品中反硝化菌群落结构的分子生物学手段,简述了目前环境样品中反硝化菌群落研究的主要内容,并探讨了该领域研究的不足及展望。虽然到目前为止,群落结构和功能的关系还未建立,但反硝化菌群落的研究必将为应用反硝化菌解决环境问题提供基础数据。     

不同林龄杉木人工林土壤硝化和反硝化作用

对不同林龄杉木人工林(5、8、21、27和40年生)土壤硝化与反硝化过程及功能微生物丰度进行研究。结果表明: 土壤净硝化速率随林龄的增加波动变化,8、27年生杉木人工林土壤净硝化速率显著低于5、21和40年生。27年生杉木人工林土壤氨氧化古菌(AOA) amoA基因丰度显著低于40年生,其他林龄AOA amoA基因丰度之间无显著差异。不同林龄杉木人工林的氨氧化细菌(AOB) amoA基因丰度、反硝化功能基因丰度以及反硝化潜势均无显著差异。逐步回归分析表明,土壤氨氧化微生物AOA amoA基因丰度受土壤理化性质的影响不显著,土壤总碳和土壤pH是影响AOB丰度的重要因子。反硝化功能基因narG、nirK及nosZ随土壤pH的增加而增加,编码亚硝酸盐还原酶(NIR)的功能基因(nirK、nirS)受土壤总碳的影响。林龄可通过影响AOA amoA基因丰度影响土壤净硝化速率。林龄直接作用于反硝化潜势,或间接影响土壤微生物生物量碳、土壤pH及反硝化功能基因丰度(narG和nirK),进而影响反硝化潜势。相较于反硝化过程,土壤硝化作用及AOA amoA基因丰度对杉木林分发育更加敏感,可适当延长轮伐期以降低土壤硝化作用造成的氮流失风险。     

反选标记法在微生物基因敲除中的应用

随着后基因组时代的到来,简单高效的基因编辑工具和方法在研究微生物的基因表达调控、工程菌株的遗传改造等方面发挥了巨大作用。反选标记法是基于同源重组原理进行基因敲除的一种便捷高效的方法,该方法通过选择性的遗传标记的丢失和回补,实现对靶基因的敲除或目的基因的插入等分子遗传操作。这种选择性的遗传标记一般不依赖于传统的抗生素筛选标签,且同一反选标记能够反复使用,可连续进行多轮遗传操作,实现对多个基因靶位点的分子编辑。对近年来反选标记基因的种类、作用原理及在微生物基因敲除实验中的应用进行综述,以期为高效、可靠的分子编辑方法的研究提供参考。     

河岸带土壤反硝化作用研究进展

反硝化作用是水生态系统脱氮和控制水体富营养化的重要过程, 是氮循环的关键环节。该作用对去除陆地和水生生态系统中的硝酸盐、亚硝酸盐并将其以无反应氮气的形式重新输送到大气这一过程起着至关重要的作用。文章综述了土壤反硝化过程的关键微生物及其作用机制、土壤反硝化作用的主要影响因素及其作用规律以及反硝化作用的研究方法方面的研究进展, 并对今后的发展方向进行了展望。指出今后应进一步将分子生态学技术手段综合运用于土壤反硝化作用研究, 加强反硝化功能微生物种群结构的研究, 深入了解反硝化菌群结构及其种间的协同作用规律与机制, 进一步明确反硝化的微观作用机制与反应机理, 并结合景观生态因子建立氮循环生物地球化学模型, 剖析多尺度因素对反硝化作用的影响及其调控机制, 此外, 还应加强土壤反硝化研究新方法的开发与现有技术的改进, 逐步建立土壤反硝化强度测定的标准方法体系。     

反硝化反应器喹啉降解相关基因多样性与定量分析

【目的】本文旨在探讨喹啉驯化的反硝化反应器微生物群落中苯甲酰辅酶A还原酶基因(bcrA)和8-羟基-2(1H)喹喏酮基因的加氧酶组分(oxoO)基因的多样性与分布。【方法】根据GenBank数据库oxoO基因序列的保守区设计了oxoO基因专一性引物。扩增采用机械击打与酚-氯仿抽提相结合的方法从反应器生物膜样品中提取微生物总DNA,对oxoO基因和bcrA基因进行基因扩增,并构建oxoO和bcrA基因克隆文库。采用荧光实时定量PCR方法对反应器微生物群落中bcrA和oxoO基因进行定量分析。【结果】定量分析结果表明,在反应器运行过程中,bcrA基因数量逐渐增多,而oxoO基因数量逐渐减少。克隆文库基因序列的系统发育分析表明,bcrA基因克隆文库中部分序列与Thauera等菌株的bcrA基因的相似性为97%以上,其余序列与已知bcrA基因序列的相似性为74%-86%;oxoO基因克隆文库中部分序列与恶臭假单胞菌(Pseudomonas putida)的oxoO基因相似性为99%,而其余序列和已知的oxoO基因的序列相似性较低。【结论】喹啉驯化的反硝化反应器系统中,bcrA和oxoO基因的多样性较丰富,且具有一些新的未知的类型。bcrA和oxoO基因的数量随反应器的运行状况而发生变化,显示出其与反应器中微生物种群构成及功能之间的密切关系。这两个基因可以作为一种潜在的生物分子标记,用于监测含喹啉废水反硝化反应器的运行状态。     

不同土地利用方式土壤氨氧化微生物和反硝化微生物时空分布特征

研究不同土地利用方式下氮循环相关微生物在不同土壤剖面的分布,可为认识和理解土壤氮转化过程提供科学依据。土壤氨氧化微生物和反硝化微生物在调节氮肥利用率、硝态氮淋溶和氧化亚氮(N₂O)排放等方面有着重要作用。以北京郊区农田和林地两种土地利用方式为研究对象,分析土壤氨氧化潜势和亚硝酸盐氧化潜势在0—100 cm土壤剖面上的季节分布(春季和秋季),并通过实时荧光定量PCR方法表征土壤氨氧化和反硝化微生物的时空分布特征。结果表明,农田土壤氨氧化潜势、亚硝酸盐氧化潜势、氨氧化微生物和反硝化微生物丰度均显著高于林地土壤,且随土壤深度增加而显著降低。除氨氧化古菌amoA基因丰度在不同季节间无显著差异外,春季土壤氨氧化细菌(amoA基因)、反硝化微生物nirS、nirK和典型nosZ I基因的丰度均显著高于秋季。土壤有机质、总氮、NH~+₄-N、NO~-₃-N含量与氨氧化微生物和反硝化微生物的功能基因丰度显著相关。综上,不同土地利用方式下土壤氮循环相关微生物的丰度与土壤氮素的可利用性和转化过程紧密相关,研究结果对土壤氮素利用和养分管理提供...     

Denitrifying genes in bacterial and Archaeal genomes

Denitrification, the reduction of nitrate or nitrite to nitrous oxide or dinitrogen, is the major mechanism by which fixed nitrogen returns to the atmosphere from soil and water. Although the denitrifying ability has been found in microorganisms belonging to numerous groups of bacteria and Archaea, the genes encoding the denitrifying reductases have been studied in only few species. Recent investigations have led to the identification of new classes of denitrifying reductases, indicating a more complex genetic basis of this process than previously recognized. The increasing number of genome sequencing projects has opened a new way to study the genetics of the denitrifying process in bacteria and Archaea. In this review, we summarized the current knowledge on denitrifying genes and compared their genetic organizations by using new sequences resulting from the analysis of finished and unfinished microbial genomes with a special attention paid to the clustering of genes encoding different classes of reductases. In addition, some evolutionary relationships between the structural genes are presented.     

人工湿地氮去除关键功能微生物生态学研究进展

人工湿地是一种能有效处理水体氮素污染的生态技术,其中微生物是驱动人工湿地系统中氮素去除的重要引擎。近20年来,随着分子生物学技术的广泛应用,有关人工湿地氮去除功能微生物生态学方面研究取得了一些重要进展。以硝化-反硝化作用和厌氧氨氧化作用这两种重要的人工湿地微生物脱氮途径为主,针对氨氧化细菌/古菌、厌氧氨氧化菌和反硝化菌等关键脱氮功能微生物的研究,重点归纳总结了目前有关这几类关键功能菌群在人工湿地中的丰度、活性、多样性、分布特征与影响因素,及其对废水中氮去除的作用,并在此基础上对今后的重点研究工作提出了展望。面向未来人工湿地氮去除关键功能微生物的研究应侧重其在污水净化和温室气体减排等方面的生态功能研究,同时加强其代谢过程与机制以及不同功能菌群间的关联研究。     

微生物分子生态学研究方法的新进展

环境中微生物的群落结构及多样性和微生物的功能及代谢机理是微生物生态学的研究热点,长期以来,由于受到研究技术的限制,对微生物的群落结构和多样性的认识还不全面,微生物的功能及代谢机理方面了解也很少.随着高通量测序、基因芯片等新技术的不断更新,微生物分子生态学的研究方法和研究途径也在不断变化.高通量测序技术改变了微生物多样性、宏基因组学和宏转录组学的研究方法,GeoChip高密度覆盖海量已知功能的基因探针于单张芯片,能快速确定微生物和已知功能基因的存在与否.总结和比较了目前最新的研究手段,并归纳了这些方法的适用性和优缺点.     

Targeted metagenomics reveals extensive diversity of the denitrifying community in partial nitritation anammox and activated sludge systems

The substantial presence of denitrifiers has already been reported in partial nitritation anammox (PNA) systems using the 16S ribosomal RNA (rRNA) gene, but little is known about the phylogenetic diversity based on denitrification pathway functional genes. Therefore, we performed a metagenomic analysis to determine the distribution of denitrification genes and the associated phylogeny in PNA systems and whether a niche separation between PNA and conventional activated sludge (AS) systems exists. The results revealed a distinct abundance pattern of denitrification pathway genes and their association to the microbial species between PNA and AS systems. In contrast, the taxonomic analysis, based on the 16S rRNA gene, did not detect notable variability in denitrifying community composition across samples. In general, narG and nosZa2 genes were dominant in all samples. While the potential for different stages of denitrification was redundant, variation in species composition and lack of the complete denitrification gene pool in each species appears to confer niche separation between PNA and AS systems. This study suggests that targeted metagenomics can help to determine the denitrifying microbial composition at a fine‐scale resolution while overcoming current biases in quantitative polymerase chain reaction approaches due to a lack of appropriate primers.     

好氧反硝化生物脱氮技术的研究进展

好氧反硝化生物脱氮技术自提出以来,凭借能实现同步硝化反硝化、节省基建投资及运行费用等诸多优点,受到国内外环境领域学者的广泛关注。本文首先总结了近年来好氧反硝化菌种的筛选分离情况,以及环境因子对好氧反硝化菌脱氮效能的影响,包括溶解氧(dissolved oxygen,DO)、碳氮比(C/N)、温度等。然后深入探讨了好氧反硝化生物脱氮技术的原理,好氧反硝化过程中的关键功能基因及酶,同时介绍了分子生物技术在好氧反硝化研究过程中的应用,以及好氧反硝化生物脱氮技术在实际应用方面的研究现状。最后,基于目前的研究瓶颈问题,对未来好氧反硝化生物脱氮技术的研究方向提出了科学展望。     

抗病原菌植物基因工程进展

植物病原菌给农林生产带来巨大的损失,植物基因工程在培育抗病原菌植物方面是传统育种技术的补充和发展,短短几年,在抗细菌和抗真菌植物基因工程方面出现了一些全新的成功策略,这些范例都是针对病原菌的生理结构、致病机理及与植物的相互关系。本文概括论述了这些策略的基本思路并对其局限性加以探讨。随着植物病理学、植物分子生物学和病原菌分子生物学的研究进展,新的抗性策略将会出现。     

rRNA技术及其在分子微生物生态上的应用

传统的基于微生物培养与纯种分离的技术所具有的局限性,以及分子生物学及其有关技术的长足进展,使微生物生态学的研究进入了分子的阶段.其中rRNA技术的建立、发展及其成功应用,为分子微生物生态和微生物系统分类学的研究掀开了崭新的一页.对rRNA分子技术的研究进展、以之为基础的主要方法及其在环境微生物研究中的应用,以及应用过程中所存在的一些潜在问题及其解决办法等作了详细综述.     

The worm has turned--microbial virulence modeled in Caenorhabditis elegans

The nematode Caenorhabditis elegans is emerging as a facile and economical model host for the study of evolutionarily conserved mechanisms of microbial pathogenesis and innate immunity. A rapidly growing number of human and animal microbial pathogens have been shown to injure and kill nematodes. In many cases, microbial genes known to be important for full virulence in mammalian models have been shown to be similarly required for maximum pathogenicity in nematodes. C. elegans has been used in mutation-based screening systems to identify novel virulence-related microbial genes and immune-related host genes, many of which have been validated in mammalian models of disease. C. elegans-based pathogenesis systems hold the potential to simultaneously explore the molecular genetic determinants of both pathogen virulence and host defense.