SCI论文阅读分享：一种土壤中的耐酸性氨氧化γISME

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不积跬步无以至千里

原文标题：An acid-tolerant ammonia-oxidizingγ-proteobacterium from soil.

参考译文：一种土壤中的耐酸性氨氧化γ-蛋白杆菌

DOI：10.1038/ismej.2016.191

文章切入点：获取低pH土壤中的新种后，对新种进行代谢能力及系统发育等。

01Abstract

Nitrification, themicrobial oxidation of ammonia to nitrate via nitrite, occurs in a wide rangeof acidic soils. However, the ammonia-oxidizing bacteria (AOB) that have beenisolated from soil to date are acid-sensitive. Here we report the isolation andcharacterization of an acid-adapted AOB from an acidic agricultural soil. Theisolated AOB, strain TAO100, is classified within the Gammaproteobacteriabased on phylogenetic characteristics. TAO100 can grow in the pH range of 5–7.5and survive in highly acidic conditions until pH 2 by forming cell aggregates.Whereas all known gammaproteobacterial AOB (γ-AOB) species, which have been isolatedfrom marine and saline aquatic environments, are halophiles, TAO100 is notphenotypically halophilic. Thus, TAO100 represents the first soil-originatedand non-halophilic γ-AOB. The TAO100 genome is considerably smaller than thoseof other γ-AOB and lacks several genes associated with salt tolerance which areunnecessary for survival in soil. The ammonia monooxygenase subunit A gene ofTAO100 and its transcript are higher in abundance than those ofammonia-oxidizing archaea and betaproteobacterial AOB in the strongly acidicsoil. These results indicate that TAO100 plays an important role in thenitrification of acidic soils. Based on these results, we propose TAO100 as anovel species of a new genus, Candidatus Nitrosoglobus terrae.

02参考译文

硝化作用（一种微生物通过亚硝酸盐将氨氮氧化为硝酸盐的过程）广泛存在于酸性土壤中。然而，迄今为止从土壤中分离到的氨氧化细菌（AOB）对酸敏感。在这里，我们报告了从酸性农业土壤中分离和鉴定了一类适应酸性的AOB。分离出的AOB菌株（即TAO100），根据系统发育特征被归为Gammaproteobacteria。TAO100可以在5-7.5的pH范围内生长，并通过形成细胞聚集体在高酸性条件（最高达pH= 2）下也能存活。而所有已知的γ-蛋白细菌AOB(γ-AOB）种-从海洋和咸水环境中分离出来的物种是嗜盐的，但TAO100并没有表现嗜盐性。因此，TAO100代表了第一个土壤起源和非嗜盐γ-AOB。TAO100的基因组比其他γ-AOB基因小得多，且缺乏一些与耐盐性相关的基因，因为这些基因对（TAO100）在土壤中的生存是不必要的。在强酸性土壤中，TAO100的氨单加氧酶A亚基基因及其转录产物的丰度高于氨氧化古菌和β-杆菌AOB。这些结果表明，TAO100在酸性土壤硝化过程中起着重要作用。在此基础上，我们提出TAO100是一个新属的新种，即Candidatus Nitrosoglobus terrae。

03前言观点及假设

研究重要性：

1、已有的研究表明氨氧化细菌不能在pH低于6的纯培实验中生长，但在pH低于5.5的土壤中确实观察到了较高的硝化速率；

2、虽然AOA比AOB更重要，但AOB也在一些酸性土壤中被鉴定分离（pH大概在4左右的土壤），我们早先在茶园土壤的研究中发现pH=3的土壤硝化速率也很高，因此酸性土壤中存在适酸性AOB，因此，不能将AOB排除在介导酸性土壤硝化的生物中，预计新的耐酸AOB将会被发现；

3、本研究的目的是从茶园的酸性土壤中分离和表征适应酸性的AOB，并证明分离的AOB对茶田土壤中氨氧化活性的贡献；此外，我们的目的是为分离的酸适应AOB和已知的相关AOB之间的分类学和进化关系提供基因组水平的证据。

文章涉及的问题：

1、低pH的土壤中是否存在耐（适）酸性AOB？2、这些AOB对氨氧化的贡献如何？3、分离出的耐酸性AOB与已知的AOB分类学和进化关系间有哪些差异？

04实验设计

实验设计：

本文选取的样点有4种：标准施肥土壤、高钙施肥土壤、无钙施肥土壤和高氮施肥土壤，土样选自0-10cm；土壤基本性质见下表：

测定指标：

潜在氨氧化率（氯酸盐存在下亚硝酸盐的积累速率）-PAR、AOB富集后的amoA丰度和βAOB-amoA丰度、TAO100增长率、亚硝酸盐生产率、铵生产率、氮生产率等。

05图表构成

图1、TAO100的生长情况和形态学情况。

图2、Nacl对亚硝酸盐生产的影响。

图3、pH对TAO100型氨氧化反应的影响。

Fig. 4.铵浓度对TAO100将亚硝酸铵氧化成亚硝酸盐的影响。

图5、Tao100及相关菌株中同源基因的比较。可以看出TAO100菌株独立于其他同源菌株。

A、在TAO100和3个嗜盐的γ-AOB之间每条染色体上的核心基因组结构中的定位基因保守性。保守的染色体结构（“核心基因组结构”）是基于保守的同源物的共识安排而构建的。在核心基因组结构中，同源群表示为彩色线。为了简单起见，只给出了具有一对一对应关系的普遍守恒正交群。为了可视化染色体的重排，根据TAO100染色体上的位置，分配了从红色到黄色到绿色的颜色等级尺度，复制的起源位于该中心。

B、TAO100、三个γ-AOB和9个相关菌株中常见的同源物的系统发育关系。该树是使用所有基因组中保守的245个同源基因的串联氨基酸序列生成的。星号表示属于硝基球菌属（Nitrosococcus）的三个嗜盐的γ-AOB。

图6、TAO100基因组中编码的代谢和生理潜力.

A、TAO100与其他γ-AOB主要通路模块的模块的完成率（Module completion

ratio，MCR）模式比较。比较了TAO100和其他主要的γ-AOB之间分为能量代谢、中枢碳水化合物代谢和渗透调节的模块的补全比模式。每个模块的MCR均采用MAPLE系统进行计算。

B、糖基转移酶和阳离子转运蛋白基因在TAO100和三个γ转运蛋白中的分布。糖基转移酶和阳离子转运体基因分别用蓝色和红色表示。在所有四种菌株中发现的同源基因都与灰色线有关。

06思路总结

本文通过鉴定分离不同pH条件下AOB菌株-培养低pH下的AOB菌株-做形态学分析、系统发育树鉴定、生长速率分析-做不同pH条件下潜在氨氧化率分析-TAO100在不同铵浓度下的潜在氨氧化率分析-TAO100与其它AOB代谢组通路分析等，获得TAO100为新型耐酸性AOB的证据。

此外，看过国内很多关于新型种的描述性文章，它们大多集中于发现该菌株并描述一下其形态学特征和基因测序系统发育学特征就完事了，并未涉及更深的层次。通过这篇文章的启示，其实很多纯培出的菌株可能还有很多可挖掘的东西，比如鉴定出该类细菌或真菌并纯培出来了，是否可以按其归类测定一下其底物代谢率？不同pH下的耐受程度（因为多数微生物的生存受pH直接影响）？代谢产物（比如测定一下密封条件下该微生物产生的气体种类、分泌物种类）测定？特定化合物代谢潜力（如本文中测定其为AOB后，测定了其不同浓度下亚硝酸盐的产量-其作为氨氧化潜力的代表）等等工作，这样发表的文章可能质量（或数量）更高些。