微生物氮循環(huán)相關(guān)基因PCR芯片檢測(cè)的知識(shí)與應(yīng)用！
小楊 / 2024-07-23 09:16:13
一、背景
微生物氮循環(huán)相關(guān)基因PCR芯片檢測(cè)通過PCR技術(shù)可檢測(cè)微生物參與氮循環(huán)相關(guān)的基因。氮是所有生物的重要組成部分，也是各種生命體的主要營(yíng)養(yǎng)成分。氮的利用需要借助微生物進(jìn)行轉(zhuǎn)化，參與氮循環(huán)的微生物主要通過氨化作用、硝化作用、反硝化作用、固氮作用等將N2、無(wú)機(jī)氮化合物、有機(jī)氮化合物在自然界中相互轉(zhuǎn)化。
氨來源于腐生生物對(duì)死亡動(dòng)植物器官的分解，被用作制造銨離子(NH4+)。在富含氧氣的土壤中，這些離子將會(huì)首先被亞硝化細(xì)菌轉(zhuǎn)化為亞硝酸根離子(NO2-)，然后被硝化細(xì)菌轉(zhuǎn)化為硝酸根離子(NO3-)。銨的兩步轉(zhuǎn)化過程被叫做硝化作用。
銨離子很容易被固定在土壤尤其是腐殖質(zhì)和粘土中。而硝酸根離子和亞硝酸根離子則因它們自身的負(fù)電性而更不容易被固定在正離子的交換點(diǎn)（主要是腐殖質(zhì)）多于負(fù)離子的土壤中。在雨后或灌溉后，流失（可溶性離子譬如硝酸根和亞硝酸根的移動(dòng))到地下水的情況經(jīng)常會(huì)發(fā)生。地下水中硝酸鹽含量的提高關(guān)系到飲用水的安全，因?yàn)樗羞^量的硝酸根離子會(huì)影響嬰幼兒血液中的氧濃度并導(dǎo)致高鐵血紅蛋白癥或藍(lán)嬰綜合征(Blue-baby Syndrome)。
如果地下水流向溪川，富硝酸鹽的地下水會(huì)導(dǎo)致地面水體的富營(yíng)養(yǎng)作用，使得藍(lán)藻菌和其它藻類大量繁殖，導(dǎo)致水生生物因缺氧而大量死亡。雖然不像銨一樣對(duì)魚類有毒，硝酸鹽可通過富營(yíng)養(yǎng)作用間接影響魚類的生存。氮素已經(jīng)導(dǎo)致了一些水體的富營(yíng)養(yǎng)化問題。從2006年起，在英國(guó)和美國(guó)使用氮肥將受到更嚴(yán)厲的限制，磷肥的使用也將受到了同樣的限制。在無(wú)氧（低氧）條件下，厭氧細(xì)菌的“反硝化作用”將會(huì)發(fā)生。
最終將硝酸中氮的成分還原成氮?dú)鈿w還到大氣中去。氮循環(huán)是全球生物地球化學(xué)循環(huán)的重要組成部分，全球每年通過人類活動(dòng)新增的“活性”氮導(dǎo)致全球氮循環(huán)嚴(yán)重失衡，并引起水體的富營(yíng)養(yǎng)化、水體酸化、溫室氣體排放等一系列環(huán)境問題。
二、應(yīng)用
微生物氮循環(huán)相關(guān)基因PCR芯片檢測(cè)可用于環(huán)境微生物群落與功能基因中的應(yīng)用研究：
運(yùn)用分子生態(tài)學(xué)中的功能基因芯片(functional gene arrays, FGAs)和限制片段長(zhǎng)度多態(tài)性(restriction fragment length polymorphism, RFLP)技術(shù)對(duì)環(huán)境微生物群落和功能基因進(jìn)行了研究。(1)采用對(duì)土壤施加氮肥的方式模擬氮沉積對(duì)植物和微生物的影響。從美國(guó)明尼蘇達(dá)大學(xué)的Cedar Creek生態(tài)科學(xué)研究保留地BioCON試驗(yàn)田取得24個(gè)樣品,12個(gè)樣品經(jīng)過施加氮肥的處理,12個(gè)樣品沒有施加氮肥。
通過對(duì)24個(gè)樣品的基因組DNA提取和功能基因芯片技術(shù)分析后,發(fā)現(xiàn)氮肥的施用對(duì)土壤中微生物群落結(jié)構(gòu)和植物生長(zhǎng)產(chǎn)生了顯著的影響。施加氮肥使得采樣點(diǎn)的植物地上部分的生物量增加,同時(shí)使得植物的地下根部的生物量減少；施加氮肥后,還使得土壤中微生物群落多樣性下降。(2)從百分比上來看,參與碳循環(huán)、氮循環(huán)、硫循環(huán)、磷循環(huán)、抗生素、金屬抗性、能量代謝和有機(jī)物修復(fù)的八大類功能基因在施加氮肥和未施加氮肥的樣品中百分比相似,沒有顯著的差異性。從數(shù)量上看,八大類功能基因的數(shù)量在施加氮肥的樣品中比未施加氮肥的樣品少。
對(duì)參與碳循環(huán)、氮循環(huán)、硫循環(huán)和磷循環(huán)的功能基因分析后發(fā)現(xiàn),在施加氮肥的樣品中參與碳循環(huán)、氮循環(huán)、硫循環(huán)和磷循環(huán)的大部分功能基因豐度下降,而且這種差異很顯著；同時(shí)還對(duì)參與氮循環(huán)作用的關(guān)鍵功能基因進(jìn)行了詳細(xì)地分析。(3)研究了13個(gè)外界因子與24個(gè)樣品中微生物群落結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系,發(fā)現(xiàn)其中七個(gè)外界因子在改變樣品的微生物群落結(jié)構(gòu)中可能起到了關(guān)鍵作用。這七個(gè)外界因素為：土壤中氮含量(%),土壤C/N比,地上C/N比,土壤中氮含量(g/m2),地上氮含量(g/m2),pH值,和濕度(0-20cm)。
對(duì)13個(gè)外界因子和24個(gè)樣品的功能基因芯片數(shù)據(jù)進(jìn)行了VPA分析,結(jié)果表明："Environmentalfactors"部分能夠獨(dú)立解釋樣品之間44.37%的差異；"Plant biomass"部分能夠獨(dú)立解釋樣品之間8.21%的差異；"Environmental factors"和"Plant biomass"的重疊部分能夠解釋樣品之間0.05%的差異；由于土壤樣品的復(fù)雜性,樣品之間的差異還有47.37%不能被解釋。
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