海洋奇古菌门认知的拓展:从新类群到新功能

奇古菌门是全球海洋中的重要微生物类群,在海洋原核浮游生物中的比例可达20%-40%。作为一类化能无机自养微生物,奇古菌门成员可通过氧化氨获得能量,实现不依赖光照的无机碳固定,在碳、氮等元素的地球化学循环中起关键作用。奇古菌门是海洋中氨氧化反应的主要执行者,其化能合成的有机质是海洋特别是深海环境中微生物的重要能量来源。随着研究的逐步深入,有关该类群生理代谢特性的认知不断被拓展,包括奇古菌门异养代谢的揭示、不具氨氧化能力类群在深海中的发现,以及最新报道的奇古菌门在厌氧条件下介导氧气、氧化亚氮和氮气的产生等。这些研究揭示了奇古菌门参与海洋生物地球化学循环和气候变化调节的新机制,为围绕该类群的深入探究和培养提供了新的思路和方向。本文从群落组成、环境适应、生态功能、进化历史和培养现状等方面综述了近年来有关海洋奇古菌门的新发现和新认识,以期增进对该类群的了解。

奇古菌亚硝酸盐还原酶基因相似基因的多样性

【目的】氨氧化古菌(Ammonia-oxidizing archaea,AOA)是奇古菌门中的唯一类群,广泛分布于各个生态系统中,对氮素生物地球化学循环起着重要作用。亚硝酸还原酶是反硝化作用的关键酶,目前关于AOA反硝化作用的研究较少,对AOA亚硝酸盐还原酶基因多样性的研究有利于揭示AOA在反硝化中的作用。【方法】本研究以水体、沉积物和土壤为研究对象,构建了奇古菌样的nirK基因克隆文库,研究了这些环境中nirK相似基因的多样性。【结果】对奇古菌样的nirK基因文库及其序列分析表明:湖水及其沉积物的nirK基因克隆文库得到10个OTUs,菜田土壤和水样则有8个OTUs;系统发育进化树表明这些nirK氨基酸序列和Candidatus Nitrosopumilus koreensis AR1,Nitrosopumilus maritimus SCM1最为相似,但相似度较低(53%-68%)。克隆文库多样性指数分析表明:所有样品都存在不同类型的nirK基因,水体样品nirK基因类型的多样性和均匀度高于土壤样品,菜田土壤的nirK基因类型多样性最高,分布最均匀。【结论】本研究表明土壤和淡水环境中奇古菌门nirK基因也具有较高的多样性,并且这些基因型与海洋样品差异非常大,这些基因编码的亚硝酸盐还原酶可能对这些环境中的反硝化作用有重要意义。

土壤氨氧化古菌及其可能代谢类型

将氨氧化成亚硝态氮的氨氧化过程是土壤硝化作用的关键步骤,主要由氨氧化细菌(ammonia-oxidizing bacteria,AOB)和氨氧化古菌(ammonia-oxidizing archaea,AOA)驱动。其中,AOA具有丰度高、硝化能力强及特殊生态环境偏好等特征,在土壤生态系统的氮素转化过程中发挥重要作用。AOA基因组序列中氨单加氧酶基因(amo A)的发现、纯培养物的分离及其不同生境的赋存状况,为土壤古菌的氨氧化研究提供了新思路。近年研究表明,氨氧化微生物的代谢类型多为化能自养型,而复杂土壤环境中的AOA,其代谢类型呈多样化,除营化能自养生长外,还可能营化能异养和混合营养代谢。其不同代谢方式在氨氧化过程中的响应机制仍需进一步研究。本文概述了土壤中AOA的发现与分布,重点介绍了其可能的代谢途径,并探究其在环境中发挥重要作用的机理。

浑善达克沙地夏冬季浅色型生物土壤结皮中古菌的系统发育多样性

【目的】生物土壤结皮(Biological soil crusts,BSCs)对于遏制土壤荒漠化、恢复荒漠地区生态环境起着重要作用。BSCs形成和发展的关键角色是微生物。但关于BSCs中微生物组成的认识还不够全面和系统,特别是对其中的古菌鲜有研究报道。【方法】通过构建和分析古菌16S rRNA基因克隆文库,揭示浑善达克沙地BSCs中古菌多样性和系统发育类型组成,并比较它们夏季和冬季的变化。【结果】BSCs样品颜色为褐色,厚度较薄,所含氮和磷营养养分不高;8月份和11月份的BSCs古菌16S rRNA基因文库覆盖度均达95%以上,代表性强;两个文库共得到可用的142条古菌16S rRNA基因序列,以0.03为Cutoff值、这些序列分入10个OTUs中,两个季节的最优势种群相同;8月份和11月份的古菌均属于奇古菌门,但群落结构存在很大的不同,即各自所独有的种群分别有1个和4个;BSCs中古菌多样性均不高,但11月份的明显高于8月份的。【结论】温带沙地浅色型BSCs中古菌的主要为奇古菌、多样性低,其群落结构随季节变换而有较大变化。本研究为系统认识BSCs古菌的多样性及其生态作用提供了基础。