【LorMe周刊】如何通过变更碳源来改变菌群代谢产物和功能？
作者：任鹏，南京农业大学硕士在读。主要研究根际资源与微生物互作。
周刊主要展示LorMe团队成员优秀周报，每周定期为您奉上学术盛宴！本期周刊为您介绍什么是酶竞争，如何通过消除酶竞争来提高底物反应速率。原文来自于2020年发表在ISME Journal上的文章《Selective carbon sources influence the end products of microbial nitrate respiration》。
硝酸盐的异化作用是N循环的重要环节之一，根据电子供体种类和浓度的不同，产物亦不相同。文中，作者试图通过筛选某种碳源，使菌群硝酸盐代谢的最终代谢产物更偏向于某种确定的成分。
为此，该研究以不同的碳源为底物对具有硝酸盐还原功能的菌群进行富集培养，通过测定OD、亚硝酸盐和铵根离子浓度以及分析不同碳源下菌群的组成，研究菌群组成的改变如何影响其代谢特征（图1A）；其次，对单菌的基因组和富集菌群的宏基因组进行分析，研究生长条件的改变如何影响微生物菌群的生态功能（图1B）。
图1 测定不同培养条件对微生物菌群组成、基因含量和功能活性指标影响的工作流程
一、选择性碳源影响富集菌群硝酸盐呼吸的终产物
作者首先研究了48种碳源对富集菌群（源自珍珠湖样品）最终铵根离子浓度的影响。结果显示，绝大多数碳源促进铵的产生（图2A）。由于培养体系中碳源浓度均为20mM，即无论是还原成亚硝酸还是铵，电子供体的量均是足够的，因此这可能是导致更偏向于铵产生的原因。但为了说明碳源种类的重要性，研究对具有相同电子供给量的L-山梨糖和D-葡萄糖的作用效应进行了比较。结果发现，D-葡萄糖作用下铵根产量约为L-山梨糖的五倍。
为了验证该结果是否普遍性和重现性，作者又采集了两个不同地区的样品进行了研究。结果发现，在电子供给量相同的情况下， D-葡萄糖始终可以促进菌群产生更多的铵（图2B）。
图2 选择性碳源对富集菌群中铵根离子产量的影响
二、微生物群落组成的变化与硝酸盐代谢的最终产物有关
电子供给量相同的两种不同碳源对菌群硝酸盐最终代谢产物的影响具有显著差异，作者认为可能是不同的碳源改变了微生物群落的结构导致的。因此，在上述结果的基础上选择了铵浓度具有显著差异的10种碳源进行进一步分析（图2A黄色标记部分）。
首先，作者分别测定了富集菌群的pH、OD、铵以及亚硝酸浓度，并对这些指标进行相关性分析。结果显示，铵和亚硝酸浓度之间呈显著的负相关（图3A、B）。其次，通过对微生物群落结构的分析发现，不同的碳源对菌群微生物组成具有显著的影响，进而可能影响铵根和亚硝酸根的产生（图3C）；不仅如此，研究选取了菌群中相对丰度在5%以上的8种微生物进行相关性分析，以Escherichia和Klebsiella为例，结果显示两者之间表现出显著的负相关性，且前者主要利用葡萄糖、果糖和海藻糖，后者主要利用山梨糖和纤维二糖（图3D）。
图3 相关活性之间以及富集物中菌株之间的相关性
三、微生物菌群功能与代谢活性指标之间的相关性
为了更进一步地说明问题，作者对上述相对丰度>5%的8株菌株进行了基因组测序，以分析其代谢潜能。仍以Escherichia和Klebsiella为例，前者具有完整的铵化系统，且与铵产生具有明显的正相关；后者只能将硝酸盐还原成亚硝酸，且与亚硝酸具有明显的正相关（图4A、B）。尽管菌株个体水平上的基因组测序只是对功能潜能进行表征，但仍可说明一定问题，由于Escherichia的主要底物之一为葡萄糖，Klebsiella为山梨糖，结合图2，基因功能层面的预测能对上述结果做出解释。
图4C和D描述的是各种主要的代谢活性指标与功能潜力之间的相关性。以铵为例，铵的浓度与铵化作用之间呈正相关，且与硝酸盐的还原也呈现一定的相关性，但关系较弱。
图4菌株丰度或遗传潜力与相关活性指标之间的相关性
四、特定的碳源通过选择性富集具有不同功能特征的微生物来影响硝酸盐代谢终产物
为了了解不同碳源选择性富集的基础，作者分析了其余七种微生物相对于Escherichia对不同碳源的利用能力。结果显示，Klebsiella主要利用山梨糖和海藻糖，因此该两种碳源作用下其丰度最高；Pseudomonas主要利用柠檬酸和甲酸，因此在相应的碳源下亦被富集（图5A）。
结合上述研究，Klebsiella主要促进亚硝酸盐的产生，Pseudomonas主要促进铵的产生。为了探究额外添加这些微生物是否会影响群落的功能和产出，作者在葡萄糖、柠檬酸以及山梨糖三种碳源富集得到的菌群的基础上再次添加了Klebsiella和Pseudomonas。结果显示，额外补充相应的功能微生物后，原始菌群硝酸盐代谢最终产物朝着功能微生物硝酸盐代谢最终产物的方向发生转变（图5B）。该结果说明，菌群的产出是由关键的功能微生物介导的，外源添加功能微生物改变菌群的功能和产出是可行的。
图5 选择性碳源富集不同功能的菌株
长期以往，碳源的浓度被认为是影响菌群最终代谢产物的主要因素之一。通过该文章的结果发现，碳源的种类在决定菌群最终代谢产物的归属方面同样“功不可没”。研究将“碳源”、“微生物”、“氮素最终形态”三者紧密地联系在一起，有理可循地描述了如何利用不同碳源来改变微生物群落的最终代谢产物和功能的发挥以及潜在的机制是什么。该研究对合成菌群亦或是天然菌群的功能改造提供一定的见解和启发。
论文信息
原名：Selective carbon source influence the end products of microbial respiration
译名：选择性碳源影响微生物硝酸盐代谢的终产物
期刊：ISME Journal
IF：9.49
发表时间：2020.05
通讯作者：Adam M. Deutschbauer
通讯作者单位：加利福尼亚大学伯克利分校植物与微生物学系