3 月 14 日的《熱心腸日報》，我們解讀了 9 篇文獻，分別關注：氮循環、絕對定量、來源追溯、網絡分析、群落組裝、固氮玉米、抗病、農業微生物、基因註釋。
Nature綜述：微生物構成的氮循環網絡
Nature Reviews Microbiology——[34.648]
① 氮是所有生物的基本組成部分，也是限制地球生命的主要營養物質，其可用性取決於微生物進行的多種氮轉化反應；② 氮轉化微生物在代謝上是多功能的，這使得它們的分類僅僅侷限於硝化器、反硝化器和類似的類別；③ 經典的氮循環是不可能存在的由不同的過程以有序的方式相互遵循組成；④ 在自然界中，微生物形成了連接氮轉化反應的複雜網絡；⑤ 還有許多未發現的氮轉化反應是熱力學上可行的，催化這些反應的微生物以及相關的生化途徑仍待發現。
【主編評語】
一作和兼通訊作者Marcel Kuypers，目前發表本領域相關文章180篇，其中包括Nautre、Science、PNAS等眾多頂級期刊，引用達2萬次，H指數高達72。能發表在30分以上的綜述，都是閱讀了500-1000篇文獻，大牛花了整年的時間，總結的教科書級別的學習材料，相關領域的學生有必要多讀幾遍。目前此文發表僅兩年，Google統計引用195次。而且氮是所有生命的重要元素，無論你研究的對象是動物、植物、微生物或環境，相信有本文氮循環的背景知識，定會讓你文章的結果和討論增色不少。人類生產的50%的食物需要依靠工業氮肥，這種氮肥的使用和豆科植物的種植幾乎使向陸地和海洋生態系統中的氮輸入量增加了一倍。因此為了預測這種氮輸入的後果，我們迫切地需要了解由微生物構成的氮轉化的基本機制。本綜述在目前獲得的新研究和新發現的背景下，對當前由微生物參與的氮轉化過程進行描述，包括這些微生物構成的氮轉化反應，參與氮轉化的微生物以及它們的生理和環境功能，也對那些並未發現但可能會發生的反應進行了描述。此外，本文對由氮轉化微生物之間的相互作用而構成的複雜網絡和其對全球生物化學氮循環的影響進行了討論。（@劉永鑫-中科院遺傳發育所-宏基因組）
【原文信息】
The microbial nitrogen-cycling network
2018-02-05, doi: 10.1038/nrmicro.2018.9
Science Bulletin：上海植生所王二濤組發表基於絕對丰度的植物根際微生物群落“擴增-選擇”組裝模型
Science Bulletin——[6.277]
① 與根外土比，在根際土中絕對丰度降低的OTU的測序讀長數都很低，表明這種變化很可能是測序深度不足導致的；② 根際微生物群落組裝 “擴增-選擇”的新模型認為，與根外土相比，主要菌門在根際土中的絕對丰度都被顯著擴增；③ 經根際土擴增的微生物進一步被根篩選，形成特異的根內微生物群落；④ 不同微生物擴增倍數可能由微生物自身擴增速率，微生物與微生物互作，植物與微生物互作等因素決定。
【主編評語】
2020年3月7日，Science Bulletin在線發表中科院分子植物科學卓越創新中心/植物生理與生態研究所王二濤課題組及其合作團隊完成的題為 “An amplification-selection model for quantified rhizosphere microbiota assembly” 的研究論文，該研究基於微生物絕對丰度提出了植物根際微生物群落 “擴增-選擇” 組裝的新模型,其將指導我們定量追蹤植物不同生長週期下其根際微生物的絕對丰度的變化，將根際微生物與植物定量性狀關聯起來，更好利用根際微生物提升農業的可持續發展。（@劉永鑫-中科院遺傳發育所-宏基因組）
【原文信息】
An amplification-selection model for quantified rhizosphere microbiota as‐ sembly
2020-03-07, doi: 10.1016/j.scib.2020.03.005
Nature子刊：微生物來源分析R包SourceTracker——結果解讀和使用教程
Nature Methods——[28.467]
① SourceTracker基於貝葉斯算法，用於在標記基因擴增子和功能宏基因組學研究中識別汙染的來源和比例;② 來源追蹤方法必須利用源環境特有度較低或中等豐富物種所包含的潛在有用信息;③ 方法允許源和目標分佈的不確定性，因為它明確地將目標樣本建模為混合源;④ 此軟件可在R語言環境下運行，不僅適用於各種微生物群落調查中的來源跟蹤和法醫分析，也能應用到鳥槍法宏基因組學和其他種群遺傳學數據的分析。
【主編評語】
本文介紹了一款追蹤微生物來源的軟件SourceTracker，用途是可以識別相關各組間來源的分析，如具體的問題：嬰兒的腸道菌群有哪些繼承了母親的腸道菌群、哪些來自陰道菌群、哪些來自皮膚；河流汙染物的來源分析、周圍工廠、農田、養殖廠對河流汙染的貢獻和來源追溯等，該軟件中目標樣本為Sink，微生物汙染源或來源的樣品為Source；基於貝葉斯算法，探究目標樣本（Sink）中微生物汙染源或來源（Source）的分析。根據Source樣本和Sink樣本的群落結構分佈，來預測Sink樣本中來源於各Source樣本的組成比例。該軟件計算速度較慢，樣本量大可選使用19年發表的FEAST（查看文章）。（@劉永鑫-中科院遺傳發育所-宏基因組）
【原文信息】
Bayesian community-wide culture-independent microbial source tracking
2011-07-17, doi: 10.1038/nmeth.1650
Nature子刊：乾旱下細菌網絡崩了，真菌網絡依然很穩定
Nature Communications——[11.878]
① 植物在乾旱條件下，更多的減少對細菌群落的碳源供應，而不是真菌群落;② 與真菌網絡相比，細菌共現性網絡更大、連接更緊密、模塊化程度更低;③ 在細菌網絡中乾旱增加了網絡連通性和中心性，真菌的這些網絡屬性變化不大;④ 細菌群落對乾旱的恢復力(bray-curtis相似性)與植物群落的恢復力有關;⑤ 土壤細菌和真菌群落組成的網絡具有不同的網絡屬性，對乾旱的反應也不同，乾旱對細菌的影響要比真菌網絡大得多。
【主編評語】
土壤微生物群落在生態系統功能中發揮著至關重要的作用，但目前尚不清楚微生物群落的共現性網絡如何響應類似極端氣候等環境擾動。本文在草地生態系統的研究表明了乾旱使得土壤細菌共現性網絡不穩定，而且在土壤溼度恢復過程中，細菌群落的變化與土壤功能聯繫更加緊密。此外，乾旱改變植被組成，導致土壤水分的減少，這些結果對細菌群落組成及其共現性網絡有長遠的影響。本文結果表明乾旱影響土壤微生物群落，作為反饋土壤微生物群落也會影響地上部植被，最終地上地下協同抵抗乾旱。這一發現為地上地下協同抗干擾的研究提供新的見解。（@劉永鑫-中科院遺傳發育所-宏基因組）
【原文信息】
Soil bacterial networks are less stable under drought than fungal networks
2018-08-02, doi: 10.1038/s41467-018-05516-7
ISME：病原菌介導植物根際有益微生物群落組裝
ISME Journal——[9.493]
① 通過有益根際微生物來刺激宿主免疫系統，被稱為誘導系統性抗性(ISR)，也可能有助於抑制病害；② 病原菌感染擬南芥後，其根際大量招募黃桿菌、寡養單胞菌和微桿菌，通過誘導植物ISR增強植株的抗病水平；③ PhyloChip技術可以更靈敏地檢測微生物物種丰度的差異且比測序具有更高的重現性；④ 植株葉片遭受病原菌感染導致有益特定根際微生物類群富集，這些有益微生物類群有助於保護後代植株抵禦同種病原菌入侵。
【主編評語】
通常在植物病害多次爆發後，會形成抑病土壤，特定有益微生物會在後代植株根際富集。在本研究中,作者證明了受霜黴病的病原菌侵染後，擬南芥葉面防禦系統被激活，並在根際特異性地富集了三株細菌。研究表明植株受到病原體感染，通過調整根際微生物群落招募了一批有益菌群協助植株抵抗病害並促進植株生長，這一作用通過土壤為媒介，為後代植株增強在病原菌侵染下存活概率。（@劉永鑫-中科院遺傳發育所-宏基因組）
【原文信息】
Disease-induced assemblage of a plant-beneficial bacterial consortium
2018-03-08, doi: 10.1038/s41396-018-0093-1
PB：玉米氣生根分泌物支持的高效生物固氮
PLoS Biology——[8.386]
① 植物與複雜的微生物群息息相關，其有助於營養獲取、植物生長和植物防禦；② 一個墨西哥玉米品種可以從空氣中獲取29%-82%的氮，並且至少有一部分氮是由存在於氣生根粘液中的固氮細菌固定的；③ 玉米氣生根分泌大量的粘液，其由複雜的糖分組成，可被分解產生遊離糖，可支持細菌生長和固氮；④ 細菌固氮酶對氧氣敏感，需要低氧環境或生理保護機制的保護，同時需要豐富的碳源提供能量；⑤ 氣生根粘液提供的低氧和遊離糖足以支持這些固氮菌固氮。
【主編評語】
對於豆科植物來說，與固氮微生物的互利共生有助於其氮素營養的利用，但這些微生物在穀物中的作用卻十分有限，包括玉米。如何顯著提高生物固氮對非豆科植物的氮營養貢獻一直是科學的前沿熱點。加州大學戴維斯分校的傑出教授Alan Bennett課題組牽頭撰文報道了一種固氮玉米，其擁有數量眾多且分泌大量粘液的氣生根。粘液具有低氧和富含糖的特性，該分泌物富集了大量固氮菌，表現出很強的固氮活性。經多種方法計算，該品種大氣固氮對其氮素的貢獻率達到29%-82%。在未來，確定這一性狀的遺傳基礎、有關微生物固氮菌的識別和微生物的招募機制將是非常重要的。本研究和其他已發表的研究為研究玉米生物N2固定的潛在新機制提供了新的途徑。這可能對玉米作物生產力和氮素利用效率產生重大影響。（@劉永鑫-中科院遺傳發育所-宏基因組）
【原文信息】
Nitrogen fixation in a landrace of maize is supported by a mucilage-associated diazotrophic microbiota
2018-08-07, doi: 10.1371/journal.pbio.2006352
土壤微生物群落的特徵究竟由什麼決定
Soil Biology and Biochemistry——[5.29]
① 確定微生物群落在土壤中產生和維持的機制對於理解其生物功能至關重要；② 交換微生物接種物不會改變土壤性質，且微生物接種對功能基因丰度和酶活性影響不大；③ 土壤pH值、土壤特性以及兩者之間的相互作用是解釋土壤中細菌群落組成變化的重要因素；④ 土壤的性質而不是微生物的接種物在決定土壤微生物群的數量方面更為重要；⑤ 土壤微生物群落的細菌組成、微生物生物量和酶活性主要取決於土壤性質，而不是取決於接種的微生物。
【主編評語】
時勢造英雄，還是英雄造時勢，作者開啟靈活大膽的思維方式運用巧妙的實驗構思設計，通過一番“玩泥巴”的騷操作嚴密謹慎全面的論證了“時勢造英雄”的觀點，使我們更進一步瞭解了土壤細菌群落產生和維持的機制，表明了土壤的pH值是影響重建新細菌群落的主導因素，最終得出土壤微生物群落的組成和功能主要取決於土壤性質，而不是微生物接種物的觀點，實驗設計新穎巧妙，VPA分析等結果說服力強，最後提出一“橄欖球”模型“畫龍點睛”之筆深入淺出地說明了問題。（@劉永鑫-中科院遺傳發育所-宏基因組）
【原文信息】
Environmental conditions rather than microbial inoculum composition determine the bacterial composition, microbial biomass and enzymatic activity of reconstructed soil microbial communities
2015-08-04, doi: 10.1016/j.soilbio.2015.07.018
植物-土壤反饋(PSF)綜述：自然和農業科學間的橋樑
Trends in Ecology and Ecolution——[15.236]
① PSF已在農業和自然系統中被廣泛的研究，但缺乏將這些系統中開發的概念和原則整合在一起的框架；② 土壤生物區系與植物葉根性狀之間相互作用已成為了解野生植物中PSF的重要工具，但這種認識尚未用於農作物輪作中；③ 接種微生物菌株的土壤越來越多地被用於控制農業中的土壤微生物組，但也可能為退化系統的恢復和控制入侵物種的傳播提供一種有前途的方法；④ PSF可以在調節生態系統對預測的氣候變化和極端天氣事件的響應中發揮重要作用。
【主編評語】
本文綜合了農業和自然系統兩種具有明顯差異的生態系統的知識和方法，並提出一個概念框架。基於這個框架，闡明瞭 (i)在複雜的自然系統中的結論如何應用到農業系統中提高其資源利用效率和生產力，以及 (ii)農業系統的研究如何驗證自然系統中發展的理論和方法。利用這個框架，討論了未來實現生態可持續和氣候智能型新研究的途徑。還展示了跨農業和自然系統PSF研究的最新進展如何有助於開發更有針對性的方法來管理植物-土壤生物的相互作用。（@劉永鑫-中科院遺傳發育所-宏基因組）
【原文信息】
Plant–Soil Feedback: Bridging Natural and Agricultural Sciences
2017-12-11, doi: 10.1016/j.tree.2017.11.005
鑑定宏基因組中碳水化合物相關基因的網站dbCAN2
Nucleic Acids Research——[11.147]
① dbCAN2是用於自動註釋碳水化合物活性酶的在線工具，是dbCAN的升級版；② dbCAN2集成了三個用於自動CAZyme註釋的最新工具/數據庫：(i)HMMER用於根據dbCAN CAZyme域HMM數據庫確定CAZyme域的邊界；③ (ii)DIAMOND用於在CAZy數據庫中快速Blast 匹配；④ (iii)Hotpep用於PPR庫中的短保守基序鑑定；⑤ dbCAN2服務器預計每年更新一次，以使用最新的CAZy數據庫、dbCAN HMM數據庫和Hotpep肽數據庫。
【主編評語】
隨著越來越多的人類、動植物相關的微生物基因組和宏基因組被測序，迫切需要用於CAZymes基因挖掘的自動工具。作者在2012年開發了dbCAN Web服務器，以提供公共服務，為新測序的基因組提供自動CAZyme註釋。在這裡dbCAN2(http://cys.bios.niu.edu/dbCAN2)作為升級版，其中集成了三個用於CAZome(基因組的所有CAZyme)註釋的最新工具, 此外，dbCAN2現在還接受核苷酸序列提交，並提供預測具有物理連接CAZyme基因簇(CGC)的服務，這將是非常有用的在線工具，用於識別微生物基因組或宏基因組中假定的多糖利用基因座(PULs)。（@劉永鑫-中科院遺傳發育所-宏基因組）
【原文信息】
dbCAN2: a meta server for automated carbohydrate-active enzyme annotation
2018-05-16, doi: 10.1093/nar/gky418
感謝本期日報的創作者：劉永鑫-中科院遺傳發育所-宏基因組
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