吳良歡團隊揭示土壤氨基酸微生物分解及其化學計量學調控機制

2021-05-19 10:33:38

「來源: ｜農環視界 ID：nhsj-wx」

近日，浙江大學環境與資源學院吳良歡教授團隊在Nature旗下期刊The ISME Journal 線上發表了題為「Substrate control of sulphur utilisation and microbial stoichiometry in soil: Results of 13C, 15N, 14C, and 35S quad labelling」的研究成果，揭示了土壤氨基酸微生物分解及其化學計量學調控機制。

土壤氨基酸可被微生物在幾小時內快速分解，是土壤氮素迴圈的重要組成部分。然而，在時間尺度上（2 min - 96 h），微生物如何分解利用氨基酸及氨基酸中碳、氮、硫元素去向及形態變化尚不清楚。此外，微生物化學計量學平衡是調控有機物質分解和土壤元素迴圈的理論基礎，已有大量研究從大尺度（生態系統、土壤整體元素組成）上探究了微生物維持化學計量學平衡的機制，但是還未發現從單一分子尺度的相關研究。半胱氨酸和蛋氨酸是一類既含氮又含硫的特殊氨基酸，其N/C和S/C遠高於土壤有機質、細菌和真菌，成為研究碳、氮、硫元素迴圈和微生物調控化學計量學平衡機制較為理想的小分子。

基於13C、15N、14C和35S穩定性與放射性同位素同步標記技術，結合洛桑試驗站長期施肥土壤，發現土壤微生物利用氨基酸主要有三個核心過程：1）土壤微生物能夠在數分鐘內將半胱氨酸和蛋氨酸吸收進微生物體內；2）微生物在15 min內以NH4+的形式釋放大量的無機氮，在24 h內以SO42-的形式釋放大量的無機硫，並伴隨著大量的CO2釋放；3）隨著時間的延長和微生物的生長，微生物會將釋放的SO42-吸收進微生物體內作為硫源。即使兩種氨基酸都含有一分子硫，微生物吸收半胱氨酸後釋放大量SO42-，而利用蛋氨酸後僅釋放少量SO42-，推測微生物將半胱氨酸分解為丙酮酸和H2S，而將蛋氨酸轉化為α-酮丁酸和S-CH3。此外，長期施肥對微生物吸收這兩種氨基酸並無顯著影響，但會影響硫酸根釋放過程。

圖1 微生物利用半胱氨酸和蛋氨酸的三個主要過程（以硫為例）

圖2 新增半胱氨酸和蛋氨酸后土壤微生物C、N和S化學計量比值

微生物吸收半胱氨酸和蛋氨酸後，微生物C:N:S化學計量比（來源於氨基酸的元素組成）在9 h記憶體在顯著差異。而隨著時間的延長，微生物通過持續釋放蛋氨酸中的C和再利用半胱氨酸釋放的SO42-，來維持了自身的化學計量學平衡。因此，土壤微生物對氨基酸的短期利用取決於底物結構特性，而長期利用取決於微生物控制的化學計量學平衡。

該研究揭示了土壤微生物利用氨基酸的核心過程，強調了化學計量學在調控微生物元素利用方面的重要作用，為土壤微生物調控土壤元素迴圈、有機質分解提供了理論基礎，在農田養分綜合管理、作物養分調控等領域具有重要應用前景。

該研究得到了國家重點研發計劃和國家自然科學基金資助。浙江大學環境與資源學院馬慶旭博士為第一作者，吳良歡教授為通訊作者。合作作者包括英國班戈大學Davey L. Jones教授、David R. Chadwick教授、和Paul W. Hill博士，德國哥廷根大學 Yakov Kuzyakov教授，洛桑試驗站Andy Macdonald教授，寧波大學葛體達研究員，中國農業大學溫媛副教授，浙江省農科院斯林林博士，以及博士生泮莞坤和湯勝。

論文連結：

https://www.nature.com/articles/s41396-021-00999-7

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