Research Article，May-2024，Nature Communications, [IF 16.6]
原文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-024-48236-x
第一作者：Guang He (何广)
通讯作者：Frank E. Löffler
合作作者：Gao Chen (陈高), Yongchao Xie (谢永超), Cynthia M. Swift, Diana Ramirez, Gyuhyon Cha, Konstantinos T. Konstantinidis, Mark Radosevich
主要单位：
1 田纳西大学生物系统工程与土壤系（1Department of Biosystems Engineering and Soil Science, University of Tennessee Knoxville, Tennessee 37996, USA）
2 土木与环境工程系（Department of Civil and Environmental Engineering）
3 环境生物技术中心（Center for Environmental Biotechnology）
4 微生物系（Department of Microbiology）
5 橡树岭国家实验室生物科学部（Biosciences Division, Oak Ridge National Laboratory, Oak Ridge, Tennessee 37831, USA）
6 佐治亚理工学院土木与环境工程系（School of Civil and Environmental Engineering, Georgia Institute of Technology, Atlanta, USA）
† 加州大学洛杉矶分校化学与生物化学系（Department of Chemistry and Biochemistry, University of California, Los Angeles, Los Angeles, 90095, USA）
- 摘要 -
由于农业集约化，氧化亚氮（N2O）的排放将会持续增加。微生物还原是N2O的主要消耗过程，但酸性条件下的微生物N2O还原过程往往被忽略。然而，即使是强酸性土壤中也含有编码N2O还原酶的nosZ基因。本研究中，我们探究了一种来自酸性热带森林土壤的共培养物，在pH 4.5的条件下还原N2O。该共培养物表现出双相增长，其中Serratia sp. 负责发酵丙酮酸，接着由Desulfosporosinus sp. 进行氢营养型N2O还原。通过整合组学和生理特征分析，我们发现了种间的营养互作，发酵丙酮酸的Serratia sp. 为N2O还原的Desulfosporosinus sp. 提供了作为生长必需的氨基酸。我们的研究展示了在pH 4.5至6的酸性土壤中，微生物N2O还原的潜力，从而拓展了我们对酸性条件下微生物N2O还原能力的认识。
- 引言 -
土壤pH值是控制生物地球化学的关键参数，但土壤酸化——由合成氮肥依赖、豆类生长和酸性降水加速的过程——继续影响全球各地区。生物过程每年固定大约180 Tg的氮（N），而传统农业每年添加超过100 Tg的化学固定氮。这种氮的输入加速了土壤N循环，导致了二氧化氮（N2O）的增加形成，这种化合物与臭氧层破坏和气候变化有关，同时也抑制了甲烷生成、汞甲基化和还原脱氯等生物地球化学过程。全球N2O排放的增加表明N2O的形成与消耗之间存在不平衡，这一现象归因于土壤微生物群的功能及环境变量，包括N氧化物还原的电子供体的可用性、N氧化物浓度、氧含量、铜的可用性和pH值。N2O还原为环境无害的氮气（N2）在酸性pH值下特别容易受影响，酸性环境通常被认为是N2O的排放源。少数研究报告了在pH值低于5的脱氮土壤（浆液）微生物群中观察到N2O的消耗，然而，土壤的异质性和与之相关的微观pH的斑块性以及在培养期间pH的增加使得得出普遍结论变得不可靠。迄今为止，使用从土壤中衍生的反硝化富集物和纯菌培养，均未能证明在酸性（pH < 6）条件下与生长相关的N2O还原和此过程的可持续性。
表达N2O还原酶（NosZ）的微生物是目前唯一已知的N2O还原途径，这是一种含铜的周质酶，能催化N2O转化为环境无害的氮气（N2）。对模式反硝化菌Paracoccus denitrificans进行的NosZ表达和蛋白组学研究表明，酸性pH干扰了NosZ的合成（例如，两个结构域CuZ和CuA中对铜的吸纳），这一现象也在含有复杂N2O还原细菌群落的富集培养物中被观察到。在pH 7.5培养的Marinobacter hydrocarbonoclasticus研究发现其NosZ中的CuZ结构域以4Cu2S形式存在，但在pH 6.5时，观察到NosZ中的CuZ中心以4Cu1S形式（无催化活性）存在。因此，无法合成功能性的NosZ经常被用来解释酸性条件下N2O排放的增加；然而，这一理论无法解释在酸性土壤中N2O还原的发生。
一项针对波多黎各Luquillo实验林（El Yunque国家森林）土壤微生物群落的宏基因组学分析表明N2O还原菌不仅存在于中性pH的土壤中，还存在于强酸性（pH 4.5-5.0）的热带森林土壤中。该酸性热带土壤的富集培养（microcosm）展示了持续的N2O还原活性，进一步的比较宏基因组学研究揭示了含有clade II nosZ，但缺乏亚硝酸还原酶基因（nirS, nirK）的严格厌氧类群是主要的N2O还原菌。已有的研究大多关注pH对兼性厌氧反硝化菌的影响，但对严格厌氧的N2O还原菌（非反硝化菌）的研究依然匮乏。
在这项工作中，我们结合培养和组学方法，对从酸性热带土壤衍生的含有两种细菌（均不能进行反硝化）的共培养体进行了表征。该共培养体包括一种酸性厌氧细菌Desulfosporosinus nitrosoreducens，在pH 4.5 – 6.0的条件下，该细菌通过氧化氢气为N2O还原提供所需电子，但在pH 7或以上则不行。
- 结果 -
A consortium consisting of two species reduces N2O at pH 4.5.
使用El Verde热带土壤并添加乳酸盐的酸性土壤培养实验成功还原了N2O；然而，将富集物进一步转接到含有新鲜乳酸盐培养基的容器中时，N2O不再被还原。在pH 4.5的富集培养物中，添加乙酸、甲酸（各1或5 mM）、CO2（208 µmol，名义浓度2.08 mM）、丙酸（5 mM）或酵母提取物（0.10 – 10 g L -1）均未观察到N2O还原。在添加了2.5 mM丙酮酸的转移培养中观察到一定量的N2O消耗，但完全消耗N2O需要添加外源氢气或甲酸。在含有氢气或甲酸但不含丙酮酸的转移培养中，未观察到N2O消耗。在添加丙酮酸和氢气的基础盐培养基中连续转移后，获得了一个稳定的富集培养物，该培养物在pH 4.5条件下稳定还原N2O（图1）。表型分析表明，丙酮酸的利用与N2O无关，而且N2O还原只在丙酮酸完全消耗后开始。丙酮酸的发酵产生了乙酸、二氧化碳和甲酸，其中甲酸和外源氢气作为后续N2O还原的电子供体（补充图1和注释1）。丙酮酸的发酵导致pH增加，培养基pH的变化幅度与初始丙酮酸浓度成正比。2.5 mM丙酮酸的发酵使培养基pH增加了0.53 ± 0.03 pH单位，而添加0.5 mM丙酮酸的培养基pH仅增加了0.22 ± 0.02 pH单位（补充图2）。在添加了5 mM葡萄糖的培养中也观察到N2O还原。N2O还原对氧敏感，在没有还原剂（即半胱氨酸或二硫苏糖醇）的培养基中不消耗N2O。
对El Verde土壤和无固体颗粒的富集培养物进行的微生物分析显示，在添加了丙酮酸、氢气和N2O的pH 4.5培养基中成功富集了特定微生物群（图1B和补充说明2）。经过九次连续转移，Serratia和Desulfosporosinus各自约占16S rRNA扩增子序列的一半（分别为49.7%和50.2%），而Planctomycetota、Lachnoclostridium、Caproiciproducens的序列不到0.05%。
我们对第15代富集培养物进行了深度宏基因组测序，并且得到了两个草图基因组，分别代表Serratia sp.和Desulfosporosinus sp.，这两个基因组代表了95%以上的宏基因组序列。组装得到的所有16S rRNA基因均被分类注释为Serratia或Desulfosporosinus（补充图3和注释2），表明富集过程产生了一个由Serratia sp.和Desulfosporosinus sp.组成的微生物群，被命名为共培养物EV（El Verde）。原始土壤宏基因组数据中未能检测到Serratia和Desulfosporosinus基因组（图1C），表明我们的培养策略成功富集了土壤中的低丰度微生物。使用Nonpareil进行的冗余性分析显示，从第15代转移培养物获得的宽基因组数据集的平均覆盖物种丰富度为99.9%，远高于El Verde原始土壤接种物（39.5%），这表明对原始土壤的宏基因组测序分析并未捕捉到完整的微生物多样性。
对第九代富集培养物进行的基于16S rRNA基因的qPCR分析揭示了该培养物的阶段生长模式。在丙酮酸发酵阶段（第一阶段），Serratia细胞数量从（2.3 ± 0.8）× 102增加到（1.8 ± 0.2）× 105个细胞每毫升。在接下来的N2O还原阶段（第二阶段）Desulfosporosinus细胞数量从（3.5 ± 1.5）× 104增加到（1.2 ± 0.4）× 106个细胞每毫升（图1D）。Desulfosporosinus的生长取决于N2O的供给。我们确定了Desulfosporosinus和Serratia的生长效率，分别为（3.1 ± 0.11）× 108 mmol N2O-1 和（7.0 ± 0.72）× 107 mmol丙酮酸-1. 以N2O为电子受体的Desulfosporosinus的生长效率与在类似生长条件下报道的含有clade II nosZ的中性N2O还原细菌中的生长效率相当。
在第一阶段（第7天）和第二阶段（第18天）的代表性样本进行的16S rRNA基因扩增子测序进一步确认了双模式生长。在第一阶段Serratia的序列增加，在第二阶段Desulfosporosinus的序列增加（图1E）。总的来说，生理表征、qPCR、基因组和扩增子测序结果表明，共培养物EV在低pH下进行N2O还原，其中Serratia sp. 发酵丙酮酸，Desulfosporosinus sp. 还原N2O。将第15代共培养物稀释十倍后涂布到Tryptone Soy Agar（TSA）固体培养基，进行好氧培养，获得了一株能够发酵丙酮酸的Serratia sp.，该菌株被命名为MF菌株。尽管我们做了很多尝试，依然无法得到还原N2O还原的Desulfosporosinus sp.分离菌株，这可能是由于其与MF菌株的严格相互作用（见下文及注释3）。
图1 建立酸性N2O还原微生物群并得到共培养物EV。(A) 从土壤样本到无固体颗粒富集物，再到共培养物的流程示意图。（B) 基于16S rRNA基因序列分析的群落结构揭示了富集过程。原始土壤微生物群落的分析基于从宏基因组测序读取中提取的16S rRNA短序列。第6代和第9代培养物的群落分析基于16S rRNA基因扩增子测序。相对丰度低于2%的序列被归类为“其他”。(C) 从El Verde土壤和第15代培养物中获得的与Serratia sp.或Desulfosporosinus sp.基因组匹配的宏基因组短序列的百分比。一个代表性图表展示了高相似度（>95%）短序列在Desulfosporosinus sp.基因组上均匀分布（补充图11）。在土壤宏基因组数据集中未检测到Serratia sp.或Desulfosporosinus sp.的基因组，与这两个基因组匹配的宏基因组短序列少于0.01%（白色柱）。(D) 共培养EV中的丙酮酸发酵（第一阶段，白色圆圈）和N2O消耗（第二阶段，黑色圆圈）。特异性16S rRNA基因靶向qPCR测定了Serratia（蓝色菱形）和Desulfosporosinus（红色菱形）的细胞数量。(E) 扩增子测序展示了共培养物EV在消耗丙酮酸后（第7天）和消耗N2O后（第18天）的群落变化。在第一阶段（第7天）和第二阶段（第18天），对Serratia（蓝色条）和Desulfosporosinus（红色条）在含丙酮酸加N2O（左）和在仅含丙酮酸（右）的培养基群落变化进行了比较。扩增子测序分析基于代表性培养物样品。所有其他数据代表三次重复培养的平均值，误差条表示标准偏差（n=3）。如果误差条小于符号，则不显示误差条。源数据包含在附件中。
Identification of auxotrophies.
为了研究共培养物EV中Desulfosporosinus sp.的特定营养需求，我们对Serratia sp.培养物（在丙酮酸发酵和N2O消耗期间，即第二阶段）的上清液进行了非靶向代谢组分析（图 2A）。通过搜索潜在代谢物（补充数据集1），一共鉴定出33个特征比对到已知结构的代谢物，包括七种氨基酸（丙氨酸、谷氨酸、蛋氨酸、缬氨酸、亮氨酸、天冬氨酸和酪氨酸）。同时也检测到了半胱氨酸的氧化衍生物半胱硫氨酸；然而，在以二硫苏糖醇（DTT）替代半胱氨酸作为还原剂的培养物中，未发现半胱硫氨酸或半胱氨酸，这表明Serratia并未将这两种化合物排放到培养上清中。动态代谢组分析显示，在接种了Serratia sp.和Desulfosporosinus sp.（作为共培养EV）后，氨基酸组分发生了变化（图2A、B）。丙氨酸、缬氨酸、亮氨酸和天冬氨酸在丙酮酸发酵期间（第一阶段）增加，而未被Serratia sp.消耗（补充图4）。然而在接种了Desulfosporosinus sp.（作为共培养EV）后，这些氨基酸发生了消耗（图2A）。这些发现表明N2O还原的Desulfosporosinus sp.是一个氨基酸缺陷型菌，一系列生长实验探索了氨基酸（补充表1）是否可以替代Serratia sp.的代谢产物来启动Desulfosporosinus sp.还原N2O。添加单一氨基酸（n=20）以及丙氨酸、缬氨酸、亮氨酸、天冬氨酸和酪氨酸组合的培养物不能还原N2O，在上述5种氨基酸组合加上蛋氨酸的培养物中观察到一定量N2O消耗（<20%的初始剂量）。在提供了15种氨基酸混合物的培养物中，Desulfosporosinus sp.的N2O还原和生长没有延迟发生（图2C）。从15种氨基酸混合物中移除单个氨基酸会减少N2O消耗的量，与6种氨基酸组合观察到的情况相似。尝试在没有丙酮酸但添加了氨基酸的培养基中分离Desulfosporosinus sp.未成功，因为Serratia sp.也同时生长，qPCR得到了验证这一结果。
图2物种间相互作用驱动共培养物EV在低pH条件下的N2O还原。 (A) Serratia sp. MF菌株进行丙酮酸发酵（第一阶段，蓝色背景），以及在接种了包含MF菌株和还原N2O的Desulfosporosinus sp.的共培养EV（箭头指示接种时间）后进行N2O还原（第二阶段，红色背景）。A面板的底部展示了在接种MF菌株后（绿色背景）、第一阶段以及在接种共培养EV后的第二阶段（第7天；3%接种量）的氨基酸组成。在接种MF菌株后（绿色背景）、第一阶段（蓝色）和第二阶段（红色）立即收集用于非靶向代谢组分析的样本。堆叠条形图显示了相应氨基酸及其衍生物曲线下面积（AUC）的比例（％）。没有展示未鉴定为氨基酸或其衍生物结构的代谢物。（B）氨基酸组分的主成分分析（PCoA）。使用ggforce包的Khachiyan算法估计封闭椭圆。使用vegan社区生态包进行了99,999次置换的双侧Permanova分析。黑色、蓝色和红色圆圈分别代表在第0天、第一阶段和第二阶段收集的样本。(C) 在添加了5（蓝色）、6（橙色）或15（黑色）种氨基酸（补充表1）、H2和N2O的培养物中的N2O还原。使用16S rRNA基因靶向qPCR测定了Desulfosporosinus sp. 在15种氨基酸混合物的培养基中的生长（红色菱形）。测试的其他各种氨基酸混合物未能或仅能消耗微量N2O。所有添加氨基酸混合物的生长试验均进行了三次重复，并在独立实验中重复。图2C中显示的数据代表了三次重复培养的平均值，误差条表示标准偏差。当误差条小于符号时不显示误差条。源数据包含在附件中。
pH range of acidophilic N2O reduction by the Desulfosporosinus sp.
共培养物EV在pH 4.5、5.0和6.0下能够还原N2O，但在pH 3.5、7.0和8.0下则不能。pH 4.5的培养物在N2O消耗开始前的滞后期大约是pH 5.0或6.0培养物的两倍（即10天对比5天）（补充图5 A）。在没有氨基酸补充的培养基中，需要丙酮酸发酵来启动N2O消耗（图1 C），这引发了一个问题：pH是否影响Serratia sp.的丙酮酸发酵、Desulfosporosinus sp.的N2O还原，或是两个过程都有影响。Serratia sp.培养物在pH 4.5至8.0的范围内发酵丙酮酸，观察到在pH 6.0和7.0下丙酮酸消耗率最高，为1.47 ± 0.04 mmol L-1 day-1，而在pH 4.5下测量到的最低速率为0.43 ± 0.05 mmol L-1 day-1（补充图5 B）。共培养物EV在pH 4.5至6.0之间的N2O消耗率相似，范围为0.24 ± 0.01至0.26 ± 0.01 mmol L-1 day-1（补充图5 C）。这些发现表明，在pH 4.5观察到的延长滞后期是由Serratia sp.的丙酮酸发酵引起的，而不是Desulfosporosinus sp.的N2O还原（补充图5 A）。
Phylogenomic analysis.
基于120个细菌标志基因串联比对的系统发育重建证实了N2O还原细菌属于Desulfosporosinus属（图3）。Desulfosporosinus属包括严格厌氧的硫酸盐还原细菌，Desulfosporosinus acididurans SJ4和Desulfosporosinus acidiphilus M1被鉴定为嗜酸硫酸盐还原者。基因组分析揭示了N2O还原的Desulfosporosinus sp.与已表征的Desulfosporosinus 菌株之间的共享特征（注释4）。共培养EV中的N2O还原Desulfosporosinsus sp.拥有编码腺苷酸硫酸盐还原酶和异化硫酸盐还原酶的aprAB和dsrAB基因，但缺乏编码硫酸盐腺苷酰基转移酶硫酰酶的sat基因。为了提供实验证据证明共培养EV中的N2O还原Desulfosporosinus sp.缺乏还原硫酸盐的能力——Desulfosporosinus属的一个标志特征，我们进行了比较生长试验。共培养物EV中的N2O还原Desulfosporosinsus sp.未能以硫酸盐为唯一电子受体生长，这与不完整的异化硫酸盐还原途径一致（补充图6 A）。与共培养物EV中的N2O还原Desulfosporosinus sp.密切相关的Desulfosporosinus acididurans D在pH 5.5的培养基中以硫酸盐作为电子受体生长，但在相同的培养条件下未能以N2O作为电子受体生长（补充图6 B）。这些观察结果证实了基因组分析的结果，即N2O还原的Desulfosporosinus sp.缺乏进行异化硫酸盐还原的能力。基于系统发育和生理特征，共培养物EV中的N2O还原菌代表了一个新的Desulfosporosinus种，我们建议命名为Desulfosporosinus nitrosoreducens PR（https://seqco.de/i:32619）。
图3 系统发育基因组学和平均氨基酸相似度（AAI）分析揭示共培养EV中的N2O还原PR菌株代表了Desulfosporosinus属的一个新物种。系统发育基因组学分析基于120个保守标记基因，并包括了来自NCBI的Peptococcaceae成员基因组。Bootstrap值高于90的未展示。比例尺表示每个位点0.05个核苷酸替换。条形图展示N2O还原的Desulfosporosinus nitrosoreducens与相关菌株之间的全基因组AAI（％）。源数据包含在附件中。
Genetic Basis of N2O Reduction in Desulfosporosinus nitrosoreducens Strain PR.
PR菌株的基因组包含一个属于第二类nosZ的nosZ基因（图4）。这个基因在第二类nosZ系统发育树上的位置暗示了古老的分歧，这一点也得到了NosZ氨基酸同一性（AI）相对于最近的含nosZ的基因组的平均氨基酸相似度（AAI）的支持。值得注意的是，对D. nitrosoreducens PR株和Desulfosporosinus meridiei的基因组比较显示了属级AAI相关性（AAI 73.83%），这明显高于其编码的NosZ蛋白的AI（AI 44%）。这表明该蛋白质的快速进化或可能来自远亲的水平nosZ获取（图3和图4）。D. nitrosoreducens PR株的NosZ与远亲Desulfotomaculum ruminis的NosZ稍微相似一些（AI 45%）。
对PR株nos基因簇与细菌和古菌的对比分析证实了典型的第二类特征，包括Sec转运系统、编码细胞色素和铁硫蛋白的基因，以及紧邻nosZ下游的nosB基因（图5）。nosB编码一种功能未知的跨膜蛋白，独属于第二类nos簇。相关物种的nos基因簇（Desulfosporosinus meridiei, Desulfitobacterium dichloroeliminans, Desulfitobacterium hafniense）具有相似的结构，但在PR株的nos基因簇中观察到了差异。具体而言，在Desulfosporosinus meridiei中，编码铁硫簇蛋白和细胞色素的基因位于nosZ之前，而在PR株中位于两个编码未知功能蛋白的基因下游（图5）。值得注意的是，在被分析的包含nos操纵子的微生物中，只有拥有第二类nos簇Desulfosporosinus nitrosoreducens和Nitratiruptor labii经过实验证实可以在pH 6以下用N2O生长。
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图4 Desulfosporosinus nitrosoreducens PR的第二类NosZ与代表性第二类NosZ的相关性和相似性。该图展示了所选第二类NosZ蛋白序列的系统发育重建。使用Gemmatimonas aurantiaca的第二类NosZ作为树根。比例尺表示每个位点0.2个氨基酸替代。节点上的数字是小于90的Bootstrap值。两列热图显示了PR株（PR）和Desulfosporosinus meridiei（DM）的NosZ与其他第二类NosZ序列之间的AAI值，较深的蓝色表示较高的百分比AAI值。原始数据作为原始数据文件提供。Fig. 1：从反刍动物瘤胃微生物基因组中鉴定出的原噬菌体。
图5 代表性nos基因簇的比较。图中包含了编码第二类nosZ的代表性nos基因簇（如图4所示）以及编码确认在中性pH值下具有N₂O还原活性的代表性第一类nos基因簇的细菌（见补充表4）。彩色箭头代表具有不同功能的基因，并显示其方向和长度。绿色代表nosZ；灰色代表nos辅助基因（即nosD、nosF、nosY、nosL、nosX和nosR）；黄色代表编码铁硫（Fe-S）蛋白的基因；紫色代表编码Rieske铁硫蛋白（S）的基因；橙色（cy-b）和红色（cy-c）分别代表编码b型和c型细胞色素的基因；青色代表nosB基因，编码第二类nos操纵子的跨膜蛋白；黑色代表未知功能的基因。Desulfosporosinus和Desulfitobacterium属、Nitratiruptor和Nitratifractor属、Paracoccus和Bradyrhizobium属分别具有相似的nos基因簇结构。原始数据作为原始数据文件提供。
Genomic insights for a commensalistic relationship.
我们对Serratia sp.和Desulfosporosinus nitrosoreducens PR株的基因组进行了功能注释，以研究物种间的相互作用（图6）。Serratia基因组包含编码特异性高亲和力丙酮酸/质子共转运蛋白的btsT基因和与丙酮酸发酵有关的基因（即pflAB和poxB），但这些基因在PR株的基因组中缺失，这与生理特征表征的结果一致。两个基因组都含有编码甲酸转运蛋白的fdhC基因，但只有PR株的基因组包含编码甲酸脱氢酶复合物的fdh基因簇（补充图7）。这与观察到的Serratia sp.分泌甲酸，而PR株利用甲酸作为N₂O还原的电子供体的情况一致（补充图1）。PR株的基因组还包含两个镍/铁型氢化酶基因簇（即hyp和hya基因簇）（补充图7）和一个完整的nos基因簇（图5），而这些都不在Serratia的基因组中。
基于KEGG和UniProt数据库的注释结果表明，Serratia基因组包含天冬氨酸、赖氨酸、苏氨酸、色氨酸、异亮氨酸、丝氨酸、亮氨酸、缬氨酸、谷氨酸、精氨酸、脯氨酸、蛋氨酸、酪氨酸、半胱氨酸和组氨酸的完整生物合成途径（100%完整性）。相比之下，PR株基因组中只有天冬氨酸和谷氨酸的生物合成途径被预测为完整，而其他氨基酸的生物合成途径完整性水平低于80%。Serratia基因组编码了一套完整的TCA循环酶，表明其具有通过草酰乙酸和α-酮戊二酸转氨基作用形成天冬氨酸和谷氨酸的潜力。相反，PR株基因组缺乏编码苹果酸脱氢酶、柠檬酸合酶和顺乌头酸水合酶的基因，表明其TCA循环不完整。因此，PR株缺乏合成谷氨酸、天冬氨酸、丙氨酸和相关氨基酸前体的能力。PR株基因组中发现了一个高亲和力氨基酸转运系统（补充图7），这表明该细菌可以有效地获取细胞外氨基酸以满足其营养需求。
图6 共培养EV中物种间交叉供养的建议相互作用。在Serratia sp. MF株的基因组中发现了参与混合酸发酵的基因，而参与周质N₂O还原的基因仅在Desulfosporosinus nitrosoreducens PR株中存在。共培养EV提供的外部底物（即丙酮酸、H₂、N₂O）以红色字体显示，Serratia产生的代谢物以蓝色字体显示。Serratia sp. MF株和Desulfosporosinus nitrosoreducens PR株基因组中分别存在15和2个完整的氨基酸生物合成途径。PR株具有不完整的TCA循环，红色虚线箭头指示了相应基因的缺失。TCA循环：三羧酸循环；AA：氨基酸；FDH：甲酸脱氢酶复合体；NosZ：一氧化二氮还原酶；OM：外膜；IM：内膜。
- 结论 -
为了满足农业产品的社会需求，不断增加的氮肥使用加速了氮循环和土壤酸化，并且增加了N2O排放。施用石灰是常用的改善土壤酸度的做法，基于微生物N2O还原在中性pH土壤中更受青睐的假设，这一做法被认为有利于减少N2O排放。我们的发现表明，土壤中存在微生物（例如Desulfosporosinus nitrosoreducens PR菌株），它们在pH 4.5至6.0之间利用N2O作为支持生长的电子受体。宏基因组学调查显示，能在低pH下还原N2O的细菌不仅限于酸性热带土壤，而且在陆地生态系统中有更广泛的分布。显然，酸性土壤中存在嗜酸的呼吸性N2O还原者，它们有潜力减少N2O排放。最近的研究探索了应用土壤微生物减少N2O排放的可能性，例如N2O还原菌Cloacibacterium sp. CB-01和有机废物一起施用显著减少了中性和酸性土壤的N2O排放。天然嗜酸N2O还原细菌的发现，为应对N2O排放挑战提供了新的机会，并为减少（即控制）酸性农业土壤中的N2O排放提供理论基础。在田间规模上降低N2O排放将进一步减少温室气体排放，并有可能使农民获得碳信用额度。
参考文献
He, G., Chen, G., Xie, Y. et al. Sustained bacterial N2O reduction at acidic pH. Nat. Commun. 15, 4092 (2024). https://doi.org/10.1038/s41467-024-48236-x
- 第一作者简介 -
田纳西大学
何广
博士后
何广，本科毕业于湖南农业大学，硕士毕业于中国农业大学张俊伶教授课题组，博士毕业于美国田纳西大学Löffler教授课题组，现于Löffler教授课题组任博士后研究助理，主要从事筛选新型厌氧N2O还原微生物及探索其在N2O减排方面的应用潜力。目前以第一作者在 Nature Communications期刊发表论文。
- 通讯作者简介 -
田纳西大学
Frank E. Löffler
教授
Frank E. Löffler，Goodrich Chair of Excellence Professor，主要从事微生物碳氮循环以及污染物降解研究，代表性工作以通讯作者发表在Nature, Nature Chemical Biology, Nature Communications和The ISME Journal等期刊，承担美国国家自然科学等基金（NSF, DoE, DoD, EPA, NIH等）、NSF Carrier Award等，美国微生物科学院院士。
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