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多管齐下的分析揭示了微生物在贫磷环境中的生存方式

由能源部橡树岭国家实验室领导的一个小组发现了某些土壤微生物如何应对贫磷环境,以便在热带生态系统中生存。他们的新方法可以应用于其他生态系统,以研究各种养分限制,并为农业和陆地生物圈建模提供信息。

磷是全球生物过程的关键营养素,例如在光合作用过程中收集太阳的能量,降解植物残骸和土壤有机质。大多数热带生态系统都能承受从土壤中浸出磷的长期风化。

ORNL领导的团队开始探索土壤微生物群落如何在分子水平上对缺乏磷和其他营养素缺乏做出反应。

他们在巴拿马共和国的史密森热带研究所收集了土壤样本,这是一个实验场地,富含磷的地块和未受精的控制地块。

“这是测试最佳觅食理论的理想场所,这是一种有助于预测生物体在寻找资源时的行为的模型,”田纳西大学ORNL高级科学家兼联合副教授Chongle Pan说。“我们了解到这种理论在应用于微生物群落时如何发挥作用,因为它们竞争营养。”

该团队分析了许多基因和蛋白质的行为,在磷缺乏的未经处理的土壤中,他们发现了负责产生磷获取酶的基因数量增加。他们还发现了100多种基因,这些基因可以从植酸盐中提取磷,这是一种在植物组织中发现的复杂有机化合物。

研究多种环境过程的ORNL高级研究员科学家Melanie Mayes说:“找到这么多基因来分解并运输这样一个复杂的分子告诉我们微生物在未经处理的土壤中渴望磷。”

相反,她指出,当磷丰富时,需要更多的基因来获得复杂的碳化合物。“微生物群体优先考虑最需要的营养素的分解,重点放在最有限的元素上,以平衡他们的整体营养需求,”她说。

该团队通过一系列严格而全面的分析来运行每个土壤样本。美国能源部联合基因组研究所对土壤的宏基因组或直接从土壤中回收的遗传物质进行了深度测序。然后,ORNL使用质谱和元蛋白质组学来鉴定每个样品中超过7,000种蛋白质。

ORNL的Titan超级计算机快速分析了大量的宏基因组学和元蛋白质组学数据,比较了富磷和土壤中的微生物活动。环境分子科学实验室科学家进一步描述了太平洋西北国家实验室的土壤有机质。

Pan说,这些独特的工具共同开展了对土壤微生物群落进行的最深入的蛋白质组学研究之一。

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