一个新的古菌类群———奇古菌门(Thaumarchaeota)

基于16S rRNA基因的系统发育关系,古菌域(Archaea)被分为两个主要类群:广古菌门(Euryarchaeota)和泉古菌门(Crenarchaeota)。近20年来,微生物分子生态学技术的快速发展和应用显示,在中温环境中广泛存在着大量的未培养古菌,而且它们可能在自然界重要元素(N、C)的生物地球化学循环中发挥着重要作用。最初,这些未培养古菌因在16S rRNA基因系统发育上与泉古菌关系较密切而被称作中温泉古菌(non-thermophilic Crenarchaeota)。而近年来,对更多新发现的中温古菌核糖体RNA基因序列和其它分子标记物进行的分析均不支持中温泉古菌由嗜热泉古菌进化而来的假设,而揭示其可能代表古菌域中一个独立的系统发育分支。基因组学、生理生态特征等分析也显示中温泉古菌与泉古菌具有明显不同的特征。因而专家建议将这些古菌(中温泉古菌)划分为一个新的门,成为古菌域的第三个主要类群—Thaumarchaeota(意译为奇古菌门)。这一新古菌门提出后得到其他研究证据的支持和认可。本文对目前已知的奇古菌门的分类地位演化、基因组学、多样性和生理代谢特征等作一简要综述。     

氨氧化古菌及其在氮循环中的重要作用

氨氧化作用作为硝化过程的第一步,是氮素生物地球化学循环的关键步骤.长期以来,变形菌纲卢和',亚群中的氨氧化细菌一直被认为是氨氧化作用的主要承担者.然而,近年来研究发现氨氧化古菌广泛存在于各种生态系统中,并且在数量上占明显优势,在氮素生物地球化学循环中起着非常重要的作用.本文概述了氨氧化古菌的形态、生理生态特性及其系统发育特征,对比分析了氨氧化古菌和氨氧化细菌的氨单加氧酶及其编码基因的异同,综述了氨氧化古菌在水生和陆地等生态系统氮素循环中的作用,同时就氨氧化古菌在应用生态和环境保护领域今后的研究重点进行了展望.     

海洋沉积物中几类常见古菌类群的分布与代谢特征

古菌作为海洋微生物的重要组分广泛分布于各种海洋环境,在碳、氮、硫等元素的生物地球化学循环和地球生命演化过程中扮演着极为重要的角色。目前古菌主要分为4个超级门(广古菌、TACK古菌、阿斯加德古菌和DPANN古菌),近30个门类。本文综述了广泛分布于近岸或深渊等海洋沉积环境中的四类常见的古菌类群[深古菌门(Bathyarchaeota)、乌斯古菌门(Woesearchaeota)、阿斯加德(Asgard)古菌超门和底栖古菌目(Thermoprofundales,Marine Benthic Group D)]的分布与代谢特征的研究进展,以期为进一步开展这几类古菌方面的研究提供线索和启示。     

我国产甲烷古菌研究进展与展望

产甲烷古菌广泛分布在湿地、水稻田、动物瘤胃、油藏、海洋和热液等缺氧环境,在全球碳素循环、气候变化和清洁能源生产等领域发挥着重要作用,一直是国内外的研究热点。本文简要回顾了我国产甲烷古菌的研究进展,重点阐述了产甲烷古菌的资源与分类、生理生化、分子生物学、生态学功能和应用等方面的研究进展,并展望了产甲烷古菌的未来研究趋势。     

宏基因组学分析揭示深古菌Bathyarchaeota B242的代谢特征

【背景】海洋沉积物中蕴含着丰富的微生物资源,估算约2.9×1029个细胞,与海水中的微生物总量相当。但是由于缺少可培养物,大部分的微生物缺乏生理特征、代谢方式以及生态功能的相关研究。深古菌(Bathyarchaeota)是一类典型的未培养微生物,在全球海洋沉积物中普遍存在,并且具有很高的丰度。【目的】对深古菌代谢潜能及其在海洋沉积物中发挥的生态功能进行更加深入的研究。【方法】应用宏基因组学的技术手段,对采集自瓜伊马斯盆地的深海热液沉积物样本进行了分析,获得了一个接近完整的深古菌基因组Bathyarchaeota B242。【结果】对Bathyarchaeota B242基因组的分析发现,其具有以降解蛋白质和多种碳水化合物为主的异养代谢途径,同时还具有通过还原型乙酰辅酶A途径实现的自养途径。【结论】同时具有自养和异养代谢途径对Bathyarchaeota B242适应低物质能量供给环境下的生存起到重要作用。     

探秘生命的第三种形式——我国古菌研究之回顾与展望

古菌是生命的第三种形式,蕴含着生命演化早期的信息.古菌广泛分布于地球上的各种环境(包括极端自然环境),遗传与代谢多样性极为丰富,是元素生物地球化学循环的重要驱动者.同时,古菌及其代谢产物也展现出了独特的生物技术开发潜能. 20世纪70年代,我国科学家即开始研究古菌.世纪之交以来,我国古菌研究队伍迅速壮大,如今已经成为国际古菌领域的一支主要研究力量.他们在古菌系统发育与进化、生物地球化学作用、基本生物学过程、病毒与宿主免疫、开发利用等方面开展了系统的工作,取得了一系列具有国际水平的研究成果,为提升对古菌的认知做出了重要贡献.本综述简要介绍了我国科学家在古菌研究中取得的主要研究成果,并对学科的未来发展方向进行展望.     

深海氨氧化古菌的环境适应基础及生态功能

氨氧化古菌是地球上丰度最高的微生物类群之一,驱动氮循环。尤其在深海,其相对丰度可达原核生物的20%-40%。然而,纯培养的缺乏严重阻碍了我们全面认知深海氨氧化古菌的生理特性和生态贡献。本文系统性地分析了深海环境特征与微生物适应性之间的关系,聚焦深海氨氧化古菌的潜在生存策略和代谢偏好。这些信息将有助于我们设计适用于深海氨氧化古菌的培养技术。此外,从系统发育和生理特性来看,深海氨氧化古菌与土壤或表层海洋来源的氨氧化古菌有显著区别,提示我们需要根据其特性重新估算全球海洋氮通量。     

古菌在红树林沉积物中的多样性及其碳代谢机制

红树林湿地生态系统具有维持生物多样性、净化环境及维持海岸带生态平衡等多种功能。古菌普遍存在于红树林沉积物中,在元素的生物地球化学循环中发挥着重要作用。古菌具有丰富的碳代谢多样性,能固定CO_2,参与甲烷循环,产乙酸,降解蛋白质、多聚碳水化合物等有机质,但目前对于红树林沉积物中古菌碳代谢的研究才刚刚起步。高通量测序技术的快速发展促进了大量新的古菌门类的发现,这些新的古菌门类具备多样的碳代谢潜力。本文简要概述古菌的主要类群与分布,综述国内外有关古菌碳代谢多样性的最新研究进展,并阐明这些古菌在红树林生态系统中的生态分布和功能特征,为进一步探究古菌代谢机制提供知识基础。     

新型产甲烷古菌研究进展

产甲烷古菌是一类能利用简单化合物产生甲烷气体的厌氧菌。近年来,随着测序技术的不断发展,科学家结合宏基因组学和其他技术先后发现了众多之前未被报道的新型产甲烷古菌。基因组分析等研究发现这几类新型产甲烷古菌具有独特的甲烷代谢通路以及广泛的生态分布,科学家推测它们在全球生态调节以及碳循环中可能起到了不可忽视的作用。然而,这些新型产甲烷古菌大部分尚未通过传统培养方法获得纯培养菌株,其确切的生理代谢机制和生态功能还有待深入研究。为了更加系统地了解这些新型产甲烷古菌,本文从它们的分类、系统发育地位、代谢机制、生态分布以及分离培养等方面进行了综述,并对新型产甲烷古菌未来的研究方向进行了展望。     

古丸菌Archaeoglobi的代谢特征

古丸菌纲(Archaeoglobi)是广古菌门下的纲级分类单元,包含古丸菌(Archaeoglobus)、地丸菌(Geoglobus)和铁丸菌(Ferroglobus)三个属,所属菌株均是严格嗜热厌氧菌,主要分布于海洋、陆地热液系统和油田环境中。Archaeoglobus属下的微生物是一类以硫酸盐、亚硫酸盐或硫代硫酸盐为电子受体代谢生成硫化氢(H2S)的化能自养或氢营养型微生物;而Geoglobus和Ferroglobus的成员则主要还原硝酸盐和铁离子。Archaeoglobi地理分布广泛,在元素生物地球化学循环过程中发挥着重要作用,是目前微生物生态学研究的一个热点。在进化方面,Archaeoglobi菌和产甲烷古菌具有较高的亲缘关系;同时,Archaeoglobi基因组中保留着部分产甲烷途径上的功能基因,最新研究表明部分未培养的Archaeoglobi基因组中含有完整的产甲烷通路。这些证据都表明Archaeoglobi菌的基因组特征可能是产甲烷古菌向硫酸盐还原菌进化的活化石。本文梳理了目前发现的11株Archaeoglobi菌株的生理生化特征和基因组分析结果,从化能自养、化能异养、硫化物呼吸、产乙酸、产甲烷等方面综述了已分离的Archaeoglobi菌的代谢特征,并基于宏基因组信息分析了未培养的Archaeoglobi菌基因组中的潜在代谢功能,为进一步分离培养此类未培养厌氧微生物提供理论指导。     

滨海湿地生态系统微生物驱动的氮循环研究进展

滨海湿地生态系统介于陆地生态系统和海洋生态系统之间,其类型多种多样,环境差异极大,微生物种类丰富。近年来,随着人为氮源的大量输入,造成滨海湿地生态系统富营养化污染问题日趋严重。本文主要总结了滨海湿地生态系统微生物驱动的固氮、硝化、反硝化、厌氧氨氧化、NO_3~-还原成铵等主要氮循环过程,并综述了通过功能基因(如nifH、amoA、hzo、nirS、nirK、nrfA)检测微生物群落多样性及其环境影响因素的相关研究,旨在更好理解微生物驱动氮循环过程以去除氮,以期为减轻富营养化和危害性藻类爆发提供科学依据。     

深部生物圈古菌的研究进展与展望

古菌作为深部生物圈中常见的原核生物,广泛分布于各类海洋沉积生境中,在沉积物生物地球化学循环中发挥着重要作用.由于不同的古菌类群对环境条件存在生理适应性差异,它们分别在近岸沿海和开阔大洋沉积物中构成了厌氧微生物生态系统和好氧微生物生态系统.本文通过对近岸与远洋、沉积物与上覆水体两个不同维度的古菌群落结构进行比较,以及对出...     

A meta‐analysis of soil salinization effects on nitrogen pools,cycles and fluxes in coastal ecosystems

Salinity intrusion caused by land subsidence resulting from increasing groundwater abstraction, decreasing river sediment loads and increasing sea level because of climate change has caused widespread soil salinization in coastal ecosystems. Soil salinization may greatly alter nitrogen (N) cycling in coastal ecosystems. However, a comprehensive understanding of the effects of soil salinization on ecosystem N pools, cycling processes and fluxes is not available for coastal ecosystems. Therefore, we compiled data from 551 observations from 21 peer‐reviewed papers and conducted a meta‐analysis of experimental soil salinization effects on 19 variables related to N pools, cycling processes and fluxes in coastal ecosystems. Our results showed that the effects of soil salinization varied across different ecosystem types and salinity levels. Soil salinization increased plant N content (18%), soil NH₄⁺ (12%) and soil total N (210%), although it decreased soil NO₃^? (2%) and soil microbial biomass N (74%). Increasing soil salinity stimulated soil N₂O fluxes as well as hydrological NH₄⁺ and NO₂^? fluxes more than threefold, although it decreased the hydrological dissolved organic nitrogen (DON) flux (59%). Soil salinization also increased the net N mineralization by 70%, although salinization effects were not observed on the net nitrification, denitrification and dissimilatory nitrate reduction to ammonium in this meta‐analysis. Overall, this meta‐analysis improves our understanding of the responses of ecosystem N cycling to soil salinization, identifies knowledge gaps and highlights the urgent need for studies on the effects of soil salinization on coastal agro‐ecosystem and microbial N immobilization. Additional increases in knowledge are critical for designing sustainable adaptation measures to the predicted intrusion of salinity intrusion so that the productivity of coastal agro‐ecosystems can be maintained or improved and the N losses and pollution of the natural environment can be minimized.     

Non-negligible roles of archaea in coastal carbon biogeochemical cycling

Coastal zones are among the world’s most productive ecosystems. They store vast amounts of organic carbon, as ‘blue carbon’ reservoirs, and impact global climate change. Archaeal communities are integral components of coastal microbiomes but their ecological roles are often overlooked. However, archaeal diversity, metabolism, evolution, and interactions, revealed by recent studies using rapidly developing cutting-edge technologies, place archaea as important players in coastal carbon biogeochemical cycling. We here summarize the latest advances in the understanding of archaeal carbon cycling processes in coastal ecosystems, specifically, archaeal involvement in CO₂ fixation, organic biopolymer transformation, and methane metabolism. We also showcase the potential to use of archaeal communities to increase carbon sequestration and reduce methane production, with implications for mitigating climate change.     

微生物驱动的滨海湿地N2O产生及其机制研究进展

滨海湿地位于海陆交界,具有初级生产力高、生物多样性丰富以及微生物驱动的营养元素循环活跃等特点,同时也是大气中一氧化二氮(N_2O)的重要排放源。N_2O是仅次于二氧化碳(CO2)和甲烷(CH4)的第三大温室气体,而全球90%以上的N_2O排放由微生物主导,并与滨海湿地氮循环的微生物群落多样性及功能密切相关。因此,滨海湿地系统中N_2O的产生与转化逐渐受到关注。本文综述了滨海湿地生态系统中微生物驱动下N_2O的产生过程,以及氮元素及其与碳、硫和金属元素耦合过程中产生N_2O的代谢途径,N_2O排放的时空变化与微生物调控,并对未来相关研究方向进行了展望,旨在揭示微生物驱动的N_2O产生及环境调控机制,为减缓全球变暖提供科学依据。     

锰氧化细菌的生理生态功能与作用机制研究进展

锰的生物地球化学循环过程与全球尺度的营养元素循环紧密联系,是影响全球生态平衡及气候变化的重要因素之一。在自然界中,锰元素主要以氧化锰和含氧酸盐的矿物形式存在,近年来的研究观点普遍认为细菌介导的氧化作用是自然环境中锰氧化物形成的主要原因。锰氧化细菌广泛分布于海洋、锰矿土壤等生态系统,近期在植物微生态系统中也被发现,其生理生态功能未知。细菌的锰氧化过程是一个复杂的过程,多铜氧化酶和过氧化物(氢)酶是参与该过程的主要酶类,但关于其催化机制的认识尚不成熟。本综述系统探讨锰氧化细菌的种类和分布、细菌锰氧化作用的生理生态功能、参与细菌锰氧化作用的功能酶及其分子机制,总结这一研究领域所取得的成果和仍未解决的科学问题,并对今后的发展方向进行展望。     

Complex seasonal patterns of primary producers at the land-sea interface

Seasonal fluctuations of plant biomass and photosynthesis are key features of the Earth system because they drive variability of atmospheric CO₂, water and nutrient cycling, and food supply to consumers. There is no inventory of phytoplankton seasonal cycles in nearshore coastal ecosystems where forcings from ocean, land and atmosphere intersect. We compiled time series of phytoplankton biomass (chlorophyll a) from 114 estuaries, lagoons, inland seas, bays and shallow coastal waters around the world, and searched for seasonal patterns as common timing and amplitude of monthly variability. The data revealed a broad continuum of seasonal patterns, with large variability across and within ecosystems. This contrasts with annual cycles of terrestrial and oceanic primary producers for which seasonal fluctuations are recurrent and synchronous over large geographic regions. This finding bears on two fundamental ecological questions: (1) how do estuarine and coastal consumers adapt to an irregular and unpredictable food supply, and (2) how can we extract signals of climate change from phytoplankton observations in coastal ecosystems where local‐scale processes can mask responses to changing climate?     

红树林湿地硫酸盐还原菌的多样性及其参与驱动的元素耦合机制

红树林生态系统是热带和亚热带地区重要的滨海湿地,具有营养物质形态多样化和高效动态变化的特征,是驱动碳、氮、硫等元素循环的热区。硫酸盐还原菌(sulfate-reducing prokaryotes,SRPs)是地球最古老的微生物生命形式之一,在推动早期地球地质演化以及现代生物地球化学循环中发挥关键作用,但其在红树林湿地还缺乏全面深入研究。本文基于Genome Taxonomy Database中原核生物基因组的挖掘,系统总结了硫酸盐还原菌的类群,梳理了近年来国内外红树林中硫酸盐还原菌的分布情况及影响其分布的因素,分析了硫酸盐还原菌在红树林生态系统的碳、氮、硫及铁等元素地球化学循环中的作用,并对硫酸盐还原菌未来的研究方向进行了展望,以期为深入研究硫酸盐还原菌参与驱动的元素生物地球化学循环及其耦合机制提供参考。     

外来植物入侵对土壤生物多样性和生态系统过程的影响

随着科学家对生态系统地下部分的重视,评价外来植物入侵对土壤生态系统的影响成为当前入侵生态学领域的研究热点之一。本文综述了外来植物入侵对土壤微生物、土壤动物以及土壤碳、氮循环动态影响的研究,并探讨了其影响机制。已有的研究表明,植物入侵对土壤生物多样性及相关生态系统过程的影响均存在不一致的格局,影响机制也是复杂多样的。外来植物与土著植物凋落物的质与量、根系特征、物候等多种生理生态特性的差异可能是形成格局多样性和影响机制复杂性的最主要原因。今后,加强多尺度和多生态系统的比较研究、机制性研究、生物多样性和生态系统过程的整合性研究及土壤生态系统对植物入侵的反馈研究是评价外来植物入侵对土壤生态系统影响的发展趋势。     

Saltwater intrusion affects nitrogen,phosphorus and iron transformations under oxic and anoxic conditions: an incubation experiment

Biogeochemistry - Low-lying coastal ecosystems are rapidly salinizing due to sea level rise and associated saltwater intrusion (SWI). In agricultural soils, SWI can alter biogeochemical cycling of...