單細胞拉曼光譜揭示氮循環功能菌研究獲新進展

2020-11-26 儀器信息網

　　氮是維持生命活動最重要的營養元素之一。氮氣是氮元素的豐富來源，但由於性質惰性，不能為生物直接利用。氮的生物地球化學循環是將氮轉化成生物可利用形式的關鍵過程。固氮微生物，包括固氮細菌和固氮古菌，可將惰性的氮氣轉化成生物可利用的氨態氮或硝態氮。據估計，生物可利用氮的半數由生物固氮過程提供。然而，微生物種類和功能豐富多樣，超過99%的環境菌目前無法實現純培養，因而對環境中固氮菌功能和活性的認識仍非常不足。環境微生物的不可純培養性，帶來了方法學上的挑戰。從單細胞水平上研究環境微生物可克服純培養或富集培養的限制，實現在環境介質下的原位研究。拉曼光譜（包括SERS、常規和共振拉曼）可在單細胞水平上對微生物進行無損檢測，並提供微生物組成的指紋圖譜。拉曼光譜與穩定同位素標記結合（Stable isotope probing, SIP），利用微生物同化SIP標記底物引起蛋白、脂類、色素的特徵拉曼譜峰偏移，已實現從單細胞水平上檢測環境功能菌。

　　中國科學院城市環境研究所城市土壤與生物地球化學研究組（朱永官團隊），在發展單細胞拉曼-15N2SIP技術用於固氮功能菌的研究上做了開拓性工作。針對土壤中的固氮菌，首次建立單細胞共振拉曼與15N2標記聯用技術，發掘出15N2相關的指示固氮菌的特徵偏移譜峰，即細胞色素c共振拉曼峰的偏移。利用此指示峰，實現在單細胞水平上檢測複雜土壤環境中的固氮菌，並利用指示峰的偏移程度，在單細胞水平上，比較了土壤固氮菌的固氮活性。此外，研究組與牛津大學教授Wei Huang合作，針對包括固氮菌在內的多種氮循環（N2、NH4、NO3）功能菌，率先發展表面增強拉曼光譜（SERS）-15N SIP聯用技術，利用SERS對微生物中含氮生物分子腺嘌呤的選擇性增強，獲得不同15N標記氮源引起的細菌腺嘌呤譜峰的顯著線性偏移，並利用SERS-15N SIP研究廈門杏林灣水體中細菌對15N2、15NH4Cl、15NO3不同氮源的選擇性代謝。上述工作促進了對大量未知環境菌群的深入認識，尤其是氮循環功能菌及其活性的深入解析。

　　相關研究成果分別以Functional Single-Cell Approach to Probing Nitrogen-Fixing Bacteria in Soil Communities by Resonance Raman Spectroscopy with15N2Labeling為題，發表在Anal. Chem.上；以Surface-enhanced Raman spectroscopy combined with stable isotope probing to monitor nitrogen assimilation at both bulk and single-cell level為題，發表在Anal. Chem.上。研究工作得到了國家重點研發計劃和國家自然科學基金等的資助。

城市環境所在發展單細胞拉曼光譜揭示氮循環功能菌研究中取得進展

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