Ammonia-oxidizing bacteria and archaea exhibit differential nitrogen source preferences

氨氧化細菌和古細菌表現(xiàn)出不同的氮源偏好

來源：Nature Microbiology | Volume 9 | February 2024 | 524–536

摘要核心內(nèi)容

 

論文揭示了氨氧化微生物（AOM）在氮源利用上的分化策略：

 

AOA（氨氧化古菌）和comammox（完全氨氧化菌） 優(yōu)先利用氨（NH?/NH??），尿素利用受抑制。

β-變形菌綱AOB（β-AOB） 偏好尿素，在尿素存在時抑制氨轉運。

γ-變形菌綱AOB（γ-AOB） 同時利用氨和尿素。

這種分化最小化了底物競爭，促進了不同AOM類群在生態(tài)系統(tǒng)中的共存。

 

研究目的

 

探究不同AOM類群（AOA、AOB、comammox）對氨和尿素的代謝策略差異。

闡明氮源偏好如何影響其生態(tài)位分化和環(huán)境共存機制。

揭示氨氧化與同化過程的調(diào)控機制（如轉運依賴性的發(fā)現(xiàn)）。

 

研究思路

 

graph LR

A[基因組篩選] --> B[純培養(yǎng)實驗]

B --> C[生長動力學]

C --> D[穩(wěn)定同位素示蹤]

D --> E[單細胞NanoSIMS分析]

E --> F[酶動力學測量]

F --> G[轉錄組學驗證]

G --> H[生態(tài)意義建模]

 

關鍵數(shù)據(jù)測量及意義

1. 生長曲線與底物偏好（圖1）

 

 

數(shù)據(jù)：監(jiān)測7株AOM在單一/混合氮源（氨+尿素）下的生長及底物消耗動態(tài)。

意義：

AOA（N. piranensis, N. viennensis）和comammox（N. inopinata）先耗盡氨后才利用尿素（存在雙峰生長）。

β-AOB（N. lacus等）優(yōu)先消耗尿素，并釋放游離氨。

γ-AOB（N. oceani）同步利用兩者。

圖表：圖1a-g。

 

2. 1?N標記示蹤氨氧化來源（圖2）

 

數(shù)據(jù)：使用1?NH??和1?N-尿素追蹤β-AOB（N. lacus）的亞硝酸鹽來源。

意義：

尿素存在時，β-AOB僅氧化胞內(nèi)尿素水解產(chǎn)生的氨，胞外氨的氧化被抑制（圖2a-b）。

證明氨氧化依賴跨膜轉運，挑戰(zhàn)了“胞外直接氧化”的傳統(tǒng)模型。

圖表：圖2、擴展數(shù)據(jù)圖3。

 

 

 

3. 單細胞同化氮源追蹤（NanoSIMS）

 

數(shù)據(jù)：通過13C-尿素/1?N-尿素標記，量化單細胞水平的氮同化來源。

意義：

β-AOB同化的氮主要來自尿素（>80%），而非胞外氨（擴展數(shù)據(jù)圖4b-c）。

AOA和comammox優(yōu)先同化氨源。

圖表：擴展數(shù)據(jù)圖4-7。

 

 

 

 

 

 

 

4. 酶動力學參數(shù)（圖3）

 

數(shù)據(jù)：微呼吸儀（Unisense電極）測定氨/尿素氧化的米氏常數(shù)（Km(app)）和比親和力（a°）。

意義：

β-AOB對尿素的親和力（a° = 0.5–1.2 L g?1 h?1）高于氨（0.1–0.2 L g?1 h?1）（圖3b）。

AOA對氨的親和力最高（Km(app) ≈ 0.7 μM）。

尿素預培養(yǎng)的AOA/comammox對氨的親和力提升，表明親和力可塑性。

圖表：圖3、擴展數(shù)據(jù)圖8。

 

 

 

5. 轉錄組調(diào)控（圖4）

 

數(shù)據(jù)：分析氮源切換后關鍵基因（amt, ure, amo）的表達變化。

意義：

β-AOB中尿素操縱子持續(xù)高表達，amt（氨轉運蛋白）被抑制（圖4d）。

AOA中尿素利用基因（ure, ut）受氨抑制（圖4a-b）。

glnB/glnD（PII調(diào)控蛋白）可能介導β-AOB的氨轉運抑制。

圖表：圖4a-e。

 

Unisense電極數(shù)據(jù)的核心意義

測量方法

 

使用Unisense微呼吸儀（OX-MR氧微電極）實時監(jiān)測底物依賴的耗氧率（圖3，擴展數(shù)據(jù)圖8）。

通過擬合Michaelis-Menten方程獲得動力學參數(shù)（Km(app), Vmax, a°）。

 

研究發(fā)現(xiàn)

 

高親和力機制：

AOA對氨的*Km(app)*低至0.68 μM（圖3a），解釋其在貧營養(yǎng)環(huán)境的競爭優(yōu)勢。

Comammox對尿素的高親和力（a° = 1.8 L g?1 h?1）依賴ABC轉運蛋白（擴展數(shù)據(jù)圖2）。

親和力可塑性：

尿素預培養(yǎng)的AOA/comammox對氨的親和力提升5.1倍（圖3b），與amt基因上調(diào)吻合（圖4a,c）。

生態(tài)啟示：

β-AOB的高尿素親和力使其在尿素富集環(huán)境（如施肥土壤）占據(jù)優(yōu)勢。

動力學參數(shù)為生態(tài)位分化模型提供定量依據(jù)（擴展數(shù)據(jù)圖10）。

 

 

結論

 

氮源偏好分化：

AOA/comammox → 氨優(yōu)先；β-AOB → 尿素優(yōu)先；γ-AOB → 共利用。

轉運依賴性：氨氧化需跨膜轉運，胞內(nèi)氨才能被AMO酶利用。

調(diào)控機制：

AOA通過抑制尿素基因表達實現(xiàn)氨偏好。

β-AOB通過GlnB/GlnD抑制氨轉運蛋白。

生態(tài)意義：分化策略減少直接競爭，促進AOM類群在復雜環(huán)境中的共存。

 

補充說明

 

Unisense技術的優(yōu)勢：高時空分辨率氧電極允許在低底物濃度（μM級）下精確測量耗氧率，這對測定寡營養(yǎng)微生物（如AOA）的動力學參數(shù)至關重要。

模型優(yōu)化建議：未來氮循環(huán)模型需納入底物偏好分化和親和力可塑性，以更準確預測AOM群落動態(tài)。