基于宏基因组测序的稻蟹共作稻田根际土壤微生物群落功能分析

为了分析施入生物有机肥的稻蟹共作稻田(HXTCS)的水稻根际土壤微生物的代谢功能,以生物有机肥稻田(YJTCS)为对照,利用Illumina Novaseq测序平台对两种稻田成熟期的根际土壤进行宏基因组测序以分析微生物群落的组成及代谢功能。NR注释结果显示,样品中微生物以细菌为主,约占98.09%,其次为古菌约占1.76%,真菌及其他约占0.15%。LEfSe分析结果表明,河蟹引入生物有机肥稻田后富集更多的细菌和古菌群落的显著差异分类群。COG和CAZy功能基因注释结果显示,HXTCS主要相关功能基因的相对丰度均高于对照组。碳代谢途径基因注释分析结果表明,HXTCS在16个碳代谢途径的基因注释的相对丰度均高于对照组,其中丙酮酸代谢和原核微生物的碳固定途径的相对丰度在2种稻田中差异显著(P<0.05)。氮代谢功能分析结果表明,HXTCS中的反硝化作用、硝酸盐还原作用和谷氨酰胺合成作用的关键酶基因的相对丰度均高于对照组。研究结果说明:河蟹引入生物有机肥稻田后,增加了根际土壤碳水化合物活性酶和主要代谢途径基因的相对丰度,有助于碳代谢及促进根际土壤氮循环中的反硝化作用、硝酸盐还原作用及谷氨酸的合成作用。

脐橙根际解磷菌的分离鉴定及全基因组测序分析

高效解磷菌的分离,可促进实用型生物肥料的开发,是实现对作物的可持续性供磷以维护环境健康与土壤生产力的有力保障。以江西省赣州市某果园脐橙根际土壤作为试验材料,用平板筛选法筛选分离12株具有解磷能力的菌株,并结合钼锑抗比色法评估分离菌株的解磷能力,最终筛选出3株解磷菌(菌株编号为QCGJ-B01、QCGJ-B02、QCGJ-B04),这些菌株表现出高溶磷指数(范围为1.71~2.50)、强解磷能力(范围为280.75~317.48 mg/L)、低pH值(范围为4.08~4.77)。结果显示,pH值与解磷量呈负相关,表明酸化是3株解磷菌解磷的主要机制。对解磷能力最强的QCGJ-B01进行全基因组测序分析,并基于管家基因鉴定得出,QCGJ-B01是新洋葱伯克霍尔德菌。全基因组数据显示,QCGJ-B01的基因组大小为8127322 bp,G+C含量为66.98%,预测到7425个基因,所有预测和注释的基因序列都分配到KEGG通路中,检测了有机酸合成与磷酸盐代谢相关基因。本研究发现,QCGJ-B01具有无机磷增溶基因(gdh、pqqB、pqqC、pqqD、pqqE、gltA)和磷酸盐转运系统基因(pstS、pstC、pstA、pstB、phoR-phoB、phoU)。此外,本研究还发现QCGJ-B01缺乏矿化磷酸酯的基因和编码磷酸酯转运蛋白的基因,可能使其无法利用额外的有机磷源,不利于其在不存在有效磷的环境中生存。QCGJ-B01高效的解磷能力有益于将其用作生物肥料,并且其全基因组数据有助于更好地理解其解磷性状的遗传基础。

基因组测序永无止境的根本原因

1869年瑞士青年学者米歇尔（Johann F.Miescher．1844—1895年）在莱茵河鳟鱼的精子里发现了脱氧核糖核酸分子，即现在大家熟知的DNA。他虽然也曾猜想过DNA可能与遗传有关，但还是倾毕生精力去研究鱼精蛋白。毕竟蛋白质与生命过程的关系已经是当时科学研究的热门。以致1878年恩格斯在《反杜林论》中就写下了至今还基本正确的语句：“生命是蛋白质的存在方式，这种存在方式本质上就在于这些蛋白质的化学组成部分的不断的自我更新。”

基于宏基因组的两种白芨根际微生物群落结构研究

利用宏基因组学技术对两种白芨根际微生物群落结构进行评价,对两种白芨样品进行宏基因组测序结果显示,两种白芨根际微生物菌群种类丰富.紫花白芨根际微生物的物种丰度比黄花白芨微生物的物种丰度更高,它们的微生物菌群差异水平从门到种均存在.其中,两者显著差异的根际微生物包括29个属和33个种.这些丰度较高的根际微生物之间大多相互促进,有利于改善和提高白芨根系发育以及对外界环境胁迫的适应性.

施氏假单胞菌NRCB010的促生减排特性与全基因组序列分析

植物根际促生菌对促进作物生长及减排农田土壤N 2O具有重要作用。利用具有良好的促生及减排农田土壤氧化亚氮特性的施氏假单胞菌(Pseudomonas stutzeri)NRCB010,通过试验分析其促生特性、反硝化能力及耐干旱胁迫性能,并采用三代Pacbio Sequl和二代Illumina Novaseq平台进行全基因组测序。NRCB010具有较强的硝酸盐还原能力,对于无机难溶磷酸钙和磷酸锌具有较好的利用效果,产生铁载体,耐受6%的盐浓度,在10%~20%的PEG6000浓度下较好生长;其基因组大小为4570338 bp,编码4182个基因;含有反硝化代谢的相关基因及铁载体、细菌素等次级代谢产物的基因簇,并含有阳离子抗菌肽(CAMP)在内的多种环境适应相关基因。本研究初步揭示了NRCB010促进作物生长、减排农田土壤N 2O及其适应复杂环境能力的遗传学基础。

溃疡病猕猴桃和健康猕猴桃根际土壤细菌群落结构

从湘西永顺县猕猴桃基地分别采集萌芽期(3月)、生长期(6月)和成熟期(9月)溃疡病猕猴桃和健康猕猴桃根际土壤样品,采用宏基因组测序技术探究了土壤样品中细菌群落结构和种群丰度.结果发现:虽然3个时期健康猕猴桃和病患猕猴桃根际土壤的细菌群落结构和种群丰度存在一定差异,但优势属主要包括Acidobacteria类群、芽单胞菌属、Gaiella等.其中假单胞菌属细菌的种群丰度随生长期延长呈现出先上升后下降的规律,与猕猴桃溃疡病发生进程吻合,提示假单胞菌属细菌可能是猕猴桃溃疡病发生的传染源.此外,黄杆菌科和丛毛单胞菌科细菌在病患猕猴桃土壤样品中丰度高于健康样品,推测其与猕猴桃溃疡病的发生存在正相关关系;红螺菌科、高温单孢菌科,芽孢杆菌属和链霉菌属细菌在健康猕猴桃土壤样品中丰度高于病患样品,推测其在猕猴桃溃疡病发生中起拮抗作用.

基于宏基因组测序解析长刺蒺藜草入侵对根际土壤氮循环的影响

为揭示外来入侵植物长刺蒺藜草Cenchrus longispinus对氮素高效利用的微生态机制,利用宏基因组测序技术分析长刺蒺藜草、狗尾草Setaria viridis、披碱草Elymus dahuricus三种杂草根际土壤及对照中参与氮循环的微生物类群及功能基因差异。结果显示,长刺蒺藜草入侵显著增加了根际土壤中全氮和硝态氮含量,显著降低了土壤水溶性氮含量;长刺蒺藜草根际土壤中链霉菌属Streptomyces、红色杆菌属Rubrobacter、硝化螺旋菌属Nitrospira及类诺卡氏菌属Nocardioides微生物丰度与其他3个处理之间差异显著,并与根际土壤中硝态氮含量显著相关;长刺蒺藜草根际土壤中微生物的氮代谢功能基因nasB和nifK丰度与对照之间差异显著,且与根际土壤中硝态氮含量显著相关。推测长刺蒺藜草入侵通过增加根际土壤中链霉菌属、红色杆菌属和类诺卡氏菌属微生物丰度影响根际土壤的氮代谢过程,通过减少nasA基因丰度降低硝酸盐同化速率,其根际土壤有少量nifK固氮基因,表明其有一定的固氮能力。

Enterobacter hormaechei Wu-15解盐促生相关基因的筛选

筛选优良根际促生菌株,定位其关键功能基因,对菌株的改造及实际应用具有重要意义。本文以解盐促生菌Enterobacter hormaechei Wu-15为材料,采用第二代和第三代测序技术对该菌株进行全基因组测序,并对其解盐促生相关的基因进行解析。结果表明,植物根际促生菌Wu-15基因组全长为4614006 bp,GC含量55.80%,含有4240个蛋白编码基因;GO、COG和KEGG数据库注释结果表明基因组中含有多种解盐促生相关基因;通过比对分析,筛选出与解盐促生功能相关的基因(溶磷相关基因7个、渗透调节物质相关基因14个、逆向转运蛋白相关基因6个、IAA合成相关基因ipdC、ACC脱氨酶相关基因dcyD)。本研究通过基因筛选及分析,从分子水平证明该菌株解盐促生的能力,为菌株的进一步优化改良提供指导,为该菌株在农业生产中的应用奠定基础。

稻蟹共生系统根际土壤菌群组成及主要代谢通路分析

为明确稻蟹共生系统中水稻根际土壤微生物群落组成及主要代谢通路,以水稻单作为对照(CK),利用Illumina NovaSeq测序平台对2种稻田成熟期的根际土壤进行宏基因组测序,分析土壤细菌、古菌和真菌的种类、丰度差异以及微生物的主要代谢通路差异。结果表明,样品中细菌界占98.09%,古菌界占1.76%,真菌界和其他占0.15%。在细菌门水平上,2种稻田的前4个优势菌门均为变形菌门(Proteobacteria)、放线菌门(Actinobacteria)、绿弯菌门(Chloroflexi)和酸杆菌门(Acidobacteria),4种优势菌门在2种稻田的相对丰度为90.86%;在细菌属水平上,位居前四的菌属在稻蟹共生系统中的相对丰度均高于CK。在古菌门水平上,共有4个优势菌门,其中稻蟹共生系统中的奇古菌门(Thaumarchaeota)相对丰度为4.41%,是CK(0.48%)的9.19倍;在古菌属水平上,甲烷螺菌属(Methanospirillum)和甲烷丝菌属(Methanothrix)共占53.63%,是主要菌属。在真菌门水平上,优势菌门均为子囊菌门(Ascomycota),稻蟹共生系统中的子囊菌门相对丰度为72.58%,是CK(64.81%)的1.12倍;在真菌属水平上,相对丰度前十的菌属中,稻蟹共生系统的毛壳菌属(Chaetomium)相对丰度为23.62%,是CK(11.88%)的1.99倍,木霉菌属(Trichoderma)相对丰度为2.56%,是CK(0.92%)的2.78倍。宏基因组测序分析结果显示,无论细菌、古菌还是真菌,稻蟹共生系统的物种数均高于CK。共有1594699个非冗余基因注释到KEGG代谢通路中,分属421类代谢通路,稻蟹共生系统在前20类代谢通路的相对丰度均高于CK,说明河蟹引入生物有机肥稻田后丰富了微生物的物种组成,加强了物种代谢能力。

稻蟹共作稻田根际土壤微生物群落与水稻产量的关联分析

为研究稻蟹共作稻田根际土壤微生物群落结构和功能与水稻生长和产量指标的相关性,设置施入生物有机肥的稻蟹共作稻田(HXTCS)和仅施入生物有机肥稻田(对照,YJTCS)的水稻大田试验,测定水稻的根长、株高、穗长、单穗粒数和千粒质量;利用宏基因组测序技术和Spearman相关法分析成熟期水稻生长和产量指标与根际土壤微生物群落结构和功能的相关性。研究结果表明,与对照YJTCS相比,稻蟹共作稻田中水稻的单穗粒数和千粒质量均显著提升(P<0.05);河蟹引入稻田后变形菌门(Proteobacteria)、放线菌门(Actinobacteria)和广古菌门(Euryarchaeota)的相对丰度分别下降了5.71%、16.12%、51.01%,绿弯菌门(Chloroflexi)、酸杆菌门(Acidobacteria)和疣微菌门(Verrucomicrobia)相对丰度则分别增加了23.35%、41.36%、50.00%。HXTCS土壤中的Chao指数、Ace指数和Shannon指数较对照分别降低了11.22%、7.54%、2.00%。主成分分析结果显示,2个处理间微生物群落结构整体差异较大。Spearman分析结果表明,绿弯菌门与株高和穗长均呈显著负相关(P<0.05);单穗粒数与酸杆菌门、Gemmatimonadetes_d_Bacteria、拟杆菌门(Bacteroidetes)和疣微菌门呈显著或极显著正相关。根际土壤微生物COG(蛋白质相邻类的聚簇)、KEGG(京都基因及基因组百科全书)和碳水化合物活性酶功能注释与水稻生长和产量指标均存在不同程度的相关性。综上,河蟹引入生物有机肥稻田后利于水稻产量指标提升,这与根际土壤微生物群落结构和功能变化有关。

施氮对黄土高原旱地小麦根际AMF群落结构的影响

为了解施氮量对黄土高原旱地小麦根际土壤AMF群落结构多样性的影响,探明施氮量与AMF群落结构多样性之间的关系,采用宏基因组测序方法对小麦根际土壤样品进行ITS区的高通量测序,并聚类分析了不同施氮水平对黄土高原旱地小麦根际土壤中AMF菌群结构的影响。结果表明,N2(90 kg/hm2)处理下,小麦根际土壤AMF多样性要高于N1(0 kg/hm2)与N3(180 kg/hm2)处理;不同土层AMF菌群结构多样性亦有差异,N1与N2处理下,L3土层(60～100 cm)AMF丰度最高;N3处理下,随着土层的加深,小麦根际AMF多样性呈逐渐增加的趋势,AMF丰度在L1土层(0～20 cm)达到最高。N2L1(施氮90 kg/hm2结合0～20 cm土层)与N3L2(施氮180 kg/hm2结合20～60 cm土层),N3L3(施氮180 kg/hm2结合60～100 cm土层)与N1L3(施氮0 kg/hm2结合60～100 cm土层),N3L1(施氮180 kg/hm2结合0～20 cm土层)与N1L1(施氮0 kg/hm2结合0～20 cm土层)处理组合下样品相似度较高,N2L2(施氮90 kg/hm2结合20～60 cm土层)与其他样品差异较大,N2L2样品中球囊霉属(Glomus)的相对丰度最高。

茎瘤芥根际一株产紫色杆菌素杜擀氏菌的分离鉴定及其基因组分析

【目的】对茎瘤芥根际微生物进行分离鉴定,分析微生物菌群构成,选择具有优良特性的菌株,评估其次级代谢产物合成能力,为茎瘤芥根际微生物多样性和菌种资源的挖掘利用奠定基础。【方法】采集重庆市涪陵区二渡村和邓家村的茎瘤芥根,分离培养根际微生物菌株,通过菌株形态观察和看家基因的序列分析,对菌株进行初步鉴定、归类和保存。选择具有优良性状的菌株,利用Pacbio RS II和Illumina HiSeq平台完成全基因组测序,通过antiSMASH分析评估其次级代谢产物合成潜力,克隆目的基因簇并进行异源表达和产物鉴定。【结果】分离得到256株微生物,初步鉴定120株;从中鉴定了一株产紫色杆菌素的杜擀氏菌BjR8,完成了基因组测序及分析,发现该菌基因组为一条环状染色体,全长7205593 bp,GC含量为64.67%,含有6241个编码基因。生物信息学分析发现基因组含有9个次级代谢产物生物合成基因簇,其中7个基因簇与已知化合物编码基因簇同源性较低,说明该菌具有产生多种新型次级代谢产物的潜力;克隆得到紫色杆菌素生物合成基因簇,并在变铅青链霉菌TK23中完成了异源表达。【结论】从茎瘤芥根际分离得到256株微生物,初步分析了茎瘤芥根际的微生物菌群构成;完成了一株产紫色杆菌素杜擀氏菌的基因组测定与分析,从中克隆了紫色杆菌素基因簇,并成功在链霉菌中实现异源表达。

若干技术在根际微生物研究中的应用

根际微生物是指植物根表及近根土壤中的微生物。根际微生物的研究对于微生物生态学、植物生态学及工业生物技术开发均具有十分重要的意义。为了进行更全面的研究以应对根际微生物研究所面临的复杂挑战,需要将各种生物学研究方法结合起来使用。综述了目前国内外应用较广泛的基于分子生物学的根际微生物研究方法,并对若干主要方法进行了横向比较,重点论述了结合高通量测序技术和基因芯片技术的根际微生物研究方法的新进展,并对相关技术的应用现状及其未来应用前景进行了综述。

不同芽孢杆菌对烟株根际土壤细菌群落及根结线虫防控效果的影响

为筛选出可有效防治烟草根结线虫的微生物菌剂,选用3株不同种类的芽孢杆菌(B3蜡样芽孢杆菌、B9蜡样芽孢杆菌和S2蕈状芽孢杆菌)微生物菌剂施于烟田,利用宏基因组测序技术分析了不同芽孢杆菌对烟株根际土壤细菌群落的影响及其对根结线虫的防控效果。结果表明,芽孢杆菌可增加土壤中细菌种数,且施用B3蜡样芽孢杆菌的土壤中细菌种数最多。相比施用清水(对照),B3蜡样芽孢杆菌能增加土壤中有益菌门硝化螺旋菌门(Nitrospirae)、有益菌属贪噬菌属(Variovorax)和罗思河小杆菌属(Rhodanobacter)的丰度,B9蜡样芽孢杆菌能增加有益菌属亚硝化螺菌属(Nitrosospira)的丰度,S2蕈状芽孢杆菌能增加有益菌属红假单胞菌属(Rhodopseudomonas)、中慢生根瘤菌属(Mesorhizobium)的丰度。假单胞菌科(Pseudomonadaceae)对根结线虫的防治有益,且在B3蜡样芽孢杆菌处理中其丰度显著高于对照。3种芽孢杆菌对烟株根结线虫病害均有一定的防治效果,但B3蜡样芽孢杆菌的效果最好。

萎缩芽孢杆菌CNY01的生防特性及其对玉米的抗盐促生作用

【目的】从黄河三角洲盐碱地中筛选到具有抗盐促生作用的一株根际菌,制成菌剂用于缓解玉米植株的高盐胁迫。【方法】通过功能培养基、16S rDNA序列和全基因组分析,确定菌株种属以及对玉米植株的抗盐促生效果。【结果】从黄河三角洲盐碱地中筛选到一株可在0-16%的NaCl和pH 5-8的条件下正常生长的萎缩芽孢杆菌CNY01,该菌株可促进玉米在高盐条件下生长,具有降蛋白和解钾的能力,还可抑制青枯雷尔氏菌、串珠镰刀菌等病原菌的生长。玉米植株在含100 mmol/L NaCl的营养液中生长8 d时,施加菌株CNY01可使植株的生理株高、根长和鲜重分别提高38.80%(P<0.01)、23.73%和28.19%(P<0.01)。玉米植株在加100 mmol/L NaCl的高盐盆栽条件下生长28 d时,菌株CNY01可使植株的株高、地上鲜重和地下鲜重分别提高10.84%、41.87%(P<0.01)和23.29%。全基因组序列分析也预测出该菌株基因组中含有维持细胞渗透压、合成应激蛋白等缓解高盐胁迫的基因。【结论】从黄河三角洲盐碱地中筛选到一株具有防病促生功能的萎缩芽孢杆菌CNY01,对玉米植株有显著的抗盐促生作用,结合基因组结果预测到该菌株含有与抗盐促生相关基因,是重要的菌种资源。

大兴安岭重度火烧迹地恢复后土壤磷形态与解磷细菌分布特征

为了探讨大兴安岭重度火烧迹地恢复后土壤不同磷形态含量、解磷细菌群落结构的差异及两者之间的关系,以人工恢复(樟子松人工林、落叶松人工林)、人工促进天然恢复(次生林)以及天然恢复(天然次生林)的林地土壤为研究对象,采用Sui等修正的Hedley磷素分级法对根际土壤和0~10、10~20 cm非根际土壤进行磷素分级测定,并用高通量测序法得到土壤解磷细菌种群丰度。结果表明:0~10 cm非根际土壤水溶性磷(H2O-Pi)、碳酸氢钠无机磷(NaHCO3-Pi)、碳酸氢钠有机磷(NaHCO3-Po)及根际土壤NaHCO3-Po含量表现为落叶松人工林>樟子松人工林>天然次生林>次生林。10~20 cm非根际土壤H2O-Pi、NaHCO3-Pi、NaHCO3-Po及根际土壤H2O-Pi、NaHCO3-Pi含量表现为落叶松人工林>樟子松人工林>次生林>天然次生林。不同林分根际与非根际土壤H2O-Pi、NaHCO3-Pi和NaHCO3-Po含量的比值(R/S)均大于1。中等活性氢氧化钠磷(NaOH-P)包括氢氧化钠无机磷(NaOH-Pi)和氢氧化钠有机磷(NaOH-Po)。在0~10 cm非根际土壤及根际土壤中NaOH-P含量表现为落叶松人工林>天然次生林>次生林>樟子松人工林,在10~20 cm非根际土壤中表现为落叶松人工林>樟子松人工林>次生林>天然次生林。土壤NaOH-P存在明显的根际效应。酸溶性磷(HCl-P)包括酸溶性无机磷(HCl-Pi)和酸溶性有机磷(HCl-Po)。在0~10 cm非根际土壤中HCl-P含量表现为落叶松人工林>天然次生林>樟子松人工林>次生林,在10~20 cm非根际及根际土壤中表现为落叶松人工林>樟子松人工林>天然次生林>次生林。土壤残留磷(residual-P)含量对林地恢复方式不敏感。各林分土壤主要解磷细菌均为慢生根瘤菌属、链霉菌属、伯克霍尔德菌属和芽孢杆菌属。樟子松人工林和落叶松人工林土壤解磷细菌丰度显著高于次生林和天然次生林。冗余分析表明,解磷细菌与不同磷形态之间相关性各异。在现阶段来看,人工恢复更有利于提高土壤磷的有效性和增加解磷细菌的丰度。