我国水稻土壤中完全氨氧化菌的分布及多样性研究

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硝化作用是氮生物地球化学循环的重要组成部分,在土壤生态系统中发挥着重要作用。水稻土在我国分布广泛,占全国耕地面积的20%,是我国一种重要的土地资源。最近研究表明,完全氨氧化菌(complete ammonia oxidizers,comammox)能够独立一步完成完全氨氧化过程。然而在水稻土中其与生态因子的关系还不明确。本研究采集了全国36个水稻土样品,分析完全氨氧化菌与生态因子的关系,明确我国稻田土壤中完全氨氧化菌的多样性和分布特征,同时建立其amo A基因的核酸序列和蛋白序列数据库,取得的主要结论有:1.通过琼脂糖凝胶电泳实验证明了36个水稻土样品中均同时存在完全氨氧化菌进化枝A(clade A)和进化枝B(clade B)。2.通过对本研究中土壤样品测序所获得的序列和NCBI开源数据库amo A基因数据进行挖掘和分析,应用Bio Edit和MEGA X等数据处理软件进行比对、删除多余碱基、构建系统发育树,并进行多次试错,最终完成了完全氨氧化菌amo A基因核酸/蛋白质序列数据库的建立。3.通过对我国稻田土壤的分子生态学研究,系统的分析了comammox菌的多样性与分布特征。线性回归分析表明,comammox clade A和clade B均与pH呈显著的正相关。斯皮尔曼相关性分析表明comammox clade A和clade B的amo A基因丰度都与pH、有机质(SOM)、总碳(TC)、总氮(TN)和微生物生物量氮(MBN)呈正相关,与年平均温度(MAT)、年平均降水(MAP)呈负相关。主成分分析表明,pH、TC、MBN、SOM、TN、纬度(latitude)、总硫(TS)共同解释了91.12%的变异,冗余分析表明,pH和氨氮(Ammonia)两者共同解释了81.61%的变异,pH对comammox clade A和clade B的解释度最大。箱线图表明,大部分样品的comammox clade A的香农指数高于clade B。系统发育分析表明,扩增序列变异(Amplicon sequence variants,ASV)与目前纯培养的三种comammox Nitrospira亲缘关系相近。以上结果表明,多种因素共同驱动comammox的分布,pH值可能是最重要影响因素,其它因素对comammox的驱动作用也不可忽视,comammox clade A具有比clade B更丰富的系统发育多样性。完全氨氧化菌的发现为进一步揭示土壤氮循环及其微生物学过程打开了新的突破口,我们的研究为理解土壤中氮循环机理提供了基础信息,将来有望在设计更高特异性引物、分离comammox纯菌株、探究氨氧化微生物相对贡献等方面做进一步研究。
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