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功能微生物应该这样研究,新技能get!

2016-11-22

自然界中,处处都有微生物的身影,它们在各自的“岗位”上发挥着或大或小的作用。其中一般功能微生物因其作用的重要性或特殊性备受关注,在分类学上它们可能有较大差异,但却具有相同或类似的基因使其能够发挥同样的作用。深入了解功能菌的基因组学、转录组学等信息,可以为环境&生态治理或工业化大规模应用奠定良好的研究基础。


安诺君要告诉大家一个喜大普奔的消息:安诺基因微生物团队与英国兰开斯特大学中国矿业大学张大奕老师合作发表了《Separating and characterizing functional alkane degraders from crude-oil-contaminated sites via magnetic nanoparticle-mediated isolation》,利用磁性纳米分离技术从石油污染土壤中分离出降解多碳链烷烃的微生物,并且利用NGS技术深入解析了土壤中降解烷烃的微生物物种[1]以这篇文章为案例,安诺君跟各位看官聊一聊功能微生物研究策略。


材料和方法


材料:尼日利亚Delta州原油钻井平台周围被污染的土壤样本。

方法:16S rDNA测序,HiSeq2500 PE250测序。

信息分析:OTU序列相似性为97%,数据库为Greengene database,聚类热图,PCoA分析。

其它技术:磁性纳米材料分离系统、qPCR 、BIOLOG PM板法、气相色谱法火焰离子化检测法。


研究结果

土壤中多碳链烷烃的微生物降解效果


经40天的培养后,多碳链烷烃浓度明显降低。对照组的多碳链烷烃的浓度出现了轻微的降解;但CKP和MNPP组对多碳链烷烃有较高的降解率,二者无显著性差异,显示出有无MNPs不会影响细菌活性或者烷烃的降解效率。

图1 有/无MNPs的土壤功能化下的多碳链烷烃降解曲线.png

图1 有/无MNPs的土壤功能化下的多碳链烷烃降解曲线

微生物群落中的多碳链烷烃降解微生物


总共得到2176个OTUs,在科层级上的聚类热图分析,如图2所示,所有的top25物种中的序列占比在75%以上,原始土壤中科层级物种的有 Nitrospiraceae (10.3%), Ellin515 (7.8%), Solibacteraceae (5.6%), Syntrophobacteraceae(5.2%), Koribacteraceae (4.8%)。这些都是土壤碳、氮循环相关的关键物种。经过矿物油(含烷烃)处理的微生物样本中,Moraxellaceae (13.5%) 和 Bdellovibrionaceae (6.2%),二者分别有降解烷烃的能力和alkB烷烃单加氧酶基因。使用Braye Curtis发现五个处理组之间的距离比较接近,如图2所示。在前20天的快速降解烷烃的过程中,Oxalobacteraceae是降解烷烃的关键物种,在20-40天过程中是Moraxellaceae。PCoA图分析表明MFCP_40和CKP_40的群落结构与其它样本不同,并与其它MFC部分、惰性土壤分离开来。

图2 科层级上土壤微生物相对丰度.png

图2 科层级上土壤微生物相对丰度

微生物呼吸作用和烷烃降解之间的关系


研究这种关系能够进一步理解氮源在烷烃降解菌中的代谢过程,来自MNPP的MFCs与微生物呼吸作用的皮尔森相关系数为0.781(较强),显示出分离的活体微生物确实参与了烷烃的降解;来自MNPP的MFCs与微生物呼吸作用的皮尔森相关系数为0.335(较弱),显示出分离的微生物不是主要的烷烃降解者。

图3 多碳链烷烃降解率与微生物呼吸作用的关联分析.png

图3 多碳链烷烃降解率与微生物呼吸作用的关联分析


结论


利用MMI分析系统并且第一次成功的从土壤微生物中分离出降解烷烃功能的微生物。表型研究和烷烃单加氧酶仅证明分离出来的OxalobacteraceaeMoraxellaceae是烷烃代谢过程不同步骤中的真正功能承担者。通过高通量测序深入研究了土壤中降解烷烃的微生物种类。另外通过BIOLOGPM板方法,发现酪胺是非常有潜力的氮源,可以刺激土著微生物群落中烷烃降解微生物的生长并促进生物降解过程。


研究亮点


1、利用磁性纳米材料分离技术成功的分析出降解烷烃的功能微生物;

2、利用烷烃降解的关键基因进行qPCR定量,进一步验证分离得到的功能微生物;

3、通过气谱方法分离鉴定群落中的代谢物质,BIOLOGPM板来描述物种表型和探究合适的营养物质。


安诺微生物

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参考文献

[1] Wang X, Zhao X, LiH, et al. Separating and characterizing functional alkane degraders from crude-oil-contaminatedsites via magnetic nanoparticle-mediated isolation[J]. Research inmicrobiology, 2016.


彩蛋:上一期周后一张图中打坐的年轻学者背后是如山的细菌培养皿,他的导师Richard Lenski在今年发表了关于细菌传代过程中基因组突变的nature论文。这位年轻学者是Lenski当时的博士后,他用了那么多培养皿来研究细菌是如何进化出用柠檬酸盐供能的新技能,这种科研的毅力值得我们去学习~。链接http://myxo.css.msu.edu/

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