研究人員揭示了微生物如何應(yīng)對缺磷的熱帶土壤

由能源部橡樹嶺國家實驗室領(lǐng)導(dǎo)的一個小組發(fā)現(xiàn)了某些土壤微生物如何應(yīng)對貧磷環(huán)境，以便在熱帶生態(tài)系統(tǒng)中生存。他們的新方法可以應(yīng)用于其他生態(tài)系統(tǒng)，以研究各種養(yǎng)分限制，并為農(nóng)業(yè)和陸地生物圈建模提供信息。

磷是全球生物過程的關(guān)鍵營養(yǎng)素，例如在光合作用過程中收集太陽的能量，降解植物殘骸和土壤有機質(zhì)。大多數(shù)熱帶生態(tài)系統(tǒng)都能承受從土壤中浸出磷的長期風(fēng)化。

ORNL領(lǐng)導(dǎo)的團隊開始探索土壤微生物群落如何在分子水平上對缺乏磷和其他營養(yǎng)素缺乏做出反應(yīng)。

他們在巴拿馬共和國的史密森熱帶研究所收集了土壤樣本，這是一個實驗場地，富含磷的地塊和未受精的控制地塊。

“這是測試最佳覓食理論的理想場所，這是一種有助于預(yù)測生物體在尋找資源時的行為的模型，”田納西大學(xué)ORNL高級科學(xué)家兼聯(lián)合副教授Chongle Pan說。“我們了解到這種理論在應(yīng)用于微生物群落時如何發(fā)揮作用，因為它們競爭營養(yǎng)。”

該團隊分析了許多基因和蛋白質(zhì)的行為，在磷缺乏的未經(jīng)處理的土壤中，他們發(fā)現(xiàn)了負(fù)責(zé)產(chǎn)生磷獲取酶的基因數(shù)量增加。他們還發(fā)現(xiàn)了100多種基因，這些基因可以從植酸鹽中提取磷，這是一種在植物組織中發(fā)現(xiàn)的復(fù)雜有機化合物。

研究多種環(huán)境過程的ORNL高級研究員科學(xué)家Melanie Mayes說：“找到這么多基因來分解并運輸這樣一個復(fù)雜的分子告訴我們微生物在未經(jīng)處理的土壤中渴望磷。”

相反，她指出，當(dāng)磷豐富時，需要更多的基因來獲得復(fù)雜的碳化合物。“微生物群體優(yōu)先考慮最需要的營養(yǎng)素的分解，重點放在最有限的元素上，以平衡他們的整體營養(yǎng)需求，”她說。

該團隊通過一系列嚴(yán)格而全面的分析來運行每個土壤樣本。美國能源部聯(lián)合基因組研究所對土壤的宏基因組或直接從土壤中回收的遺傳物質(zhì)進行了深度測序。然后，ORNL使用質(zhì)譜和元蛋白質(zhì)組學(xué)來鑒定每個樣品中超過7,000種蛋白質(zhì)。

ORNL的Titan超級計算機快速分析了大量的宏基因組學(xué)和元蛋白質(zhì)組學(xué)數(shù)據(jù)，比較了富磷和貧土壤中的微生物活動。環(huán)境分子科學(xué)實驗室科學(xué)家進一步描述了太平洋西北國家實驗室的土壤有機質(zhì)。

Pan說，這些獨特的工具共同開展了對土壤微生物群落進行的最深入的蛋白質(zhì)組學(xué)研究之一。

橡樹嶺國家實驗室領(lǐng)導(dǎo)的研究小組計劃繼續(xù)他們的研究，以表征生態(tài)和演化土壤中營養(yǎng)貧乏的環(huán)境中的微生物群落，在全球擁有農(nóng)業(yè)和陸地生物圈建模應(yīng)用。此外，Mayes和她的團隊正在根據(jù)DOE早期職業(yè)研究計劃獎將宏基因組學(xué)信息納入養(yǎng)分循環(huán)模型。

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