Ammonia-oxidizing bacteria and archaea exhibit differential nitrogen source preferences

氨氧化细菌和古细菌表现出不同的氮源偏好

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

摘要核心内容

 

论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） 优先利用氨（NH₃/NH₄⁺），尿素利用受抑制。

β-变形菌纲AOB（β-AOB） 偏好尿素，在尿素存在时抑制氨转运。

γ-变形菌纲AOB（γ-AOB） 同时利用氨和尿素。

这种分化最小化了底物竞争，促进了不同AOM类群在生态系统中的共存。

 

研究目的

 

探究不同AOM类群（AOA、AOB、comammox）对氨和尿素的代谢策略差异。

阐明氮源偏好如何影响其生态位分化和环境共存机制。

揭示氨氧化与同化过程的调控机制（如转运依赖性的发现）。

 

研究思路

 

graph LR

A[基因组筛选] --> B[纯培养实验]

B --> C[生长动力学]

C --> D[稳定同位素示踪]

D --> E[单细胞NanoSIMS分析]

E --> F[酶动力学测量]

F --> G[转录组学验证]

G --> H[生态意义建模]

 

关键数据测量及意义

1. 生长曲线与底物偏好（图1）

 

 

数据：监测7株AOM在单一/混合氮源（氨+尿素）下的生长及底物消耗动态。

意义：

AOA（N. piranensis, N. viennensis）和comammox（N. inopinata）先耗尽氨后才利用尿素（存在双峰生长）。

β-AOB（N. lacus等）优先消耗尿素，并释放游离氨。

γ-AOB（N. oceani）同步利用两者。

图表：图1a-g。

 

2. ¹⁵N标记示踪氨氧化来源（图2）

 

数据：使用¹⁵NH₄⁺和¹⁵N-尿素追踪β-AOB（N. lacus）的亚硝酸盐来源。

意义：

尿素存在时，β-AOB仅氧化胞内尿素水解产生的氨，胞外氨的氧化被抑制（图2a-b）。

证明氨氧化依赖跨膜转运，挑战了“胞外直接氧化”的传统模型。

图表：图2、扩展数据图3。

 

 

 

3. 单细胞同化氮源追踪（NanoSIMS）

 

数据：通过¹³C-尿素/¹⁵N-尿素标记，量化单细胞水平的氮同化来源。

意义：

β-AOB同化的氮主要来自尿素（>80%），而非胞外氨（扩展数据图4b-c）。

AOA和comammox优先同化氨源。

图表：扩展数据图4-7。

 

 

 

 

 

 

 

4. 酶动力学参数（图3）

 

数据：微呼吸仪（Unisense电极）测定氨/尿素氧化的米氏常数（Km(app)）和比亲和力（a°）。

意义：

β-AOB对尿素的亲和力（a° = 0.5–1.2 L g⁻¹ h⁻¹）高于氨（0.1–0.2 L g⁻¹ h⁻¹）（图3b）。

AOA对氨的亲和力最高（Km(app) ≈ 0.7 μM）。

尿素预培养的AOA/comammox对氨的亲和力提升，表明亲和力可塑性。

图表：图3、扩展数据图8。

 

 

 

5. 转录组调控（图4）

 

数据：分析氮源切换后关键基因（amt, ure, amo）的表达变化。

意义：

β-AOB中尿素操纵子持续高表达，amt（氨转运蛋白）被抑制（图4d）。

AOA中尿素利用基因（ure, ut）受氨抑制（图4a-b）。

glnB/glnD（PII调控蛋白）可能介导β-AOB的氨转运抑制。

图表：图4a-e。

 

Unisense电极数据的核心意义

测量方法

 

使用Unisense微呼吸仪（OX-MR氧微电极）实时监测底物依赖的耗氧率（图3，扩展数据图8）。

通过拟合Michaelis-Menten方程获得动力学参数（Km(app), Vmax, a°）。

 

研究发现

 

高亲和力机制：

AOA对氨的*Km(app)*低至0.68 μM（图3a），解释其在贫营养环境的竞争优势。

Comammox对尿素的高亲和力（a° = 1.8 L g⁻¹ h⁻¹）依赖ABC转运蛋白（扩展数据图2）。

亲和力可塑性：

尿素预培养的AOA/comammox对氨的亲和力提升5.1倍（图3b），与amt基因上调吻合（图4a,c）。

生态启示：

β-AOB的高尿素亲和力使其在尿素富集环境（如施肥土壤）占据优势。

动力学参数为生态位分化模型提供定量依据（扩展数据图10）。

 

 

结论

 

氮源偏好分化：

AOA/comammox → 氨优先；β-AOB → 尿素优先；γ-AOB → 共利用。

转运依赖性：氨氧化需跨膜转运，胞内氨才能被AMO酶利用。

调控机制：

AOA通过抑制尿素基因表达实现氨偏好。

β-AOB通过GlnB/GlnD抑制氨转运蛋白。

生态意义：分化策略减少直接竞争，促进AOM类群在复杂环境中的共存。

 

补充说明

 

Unisense技术的优势：高时空分辨率氧电极允许在低底物浓度（μM级）下精确测量耗氧率，这对测定寡营养微生物（如AOA）的动力学参数至关重要。

模型优化建议：未来氮循环模型需纳入底物偏好分化和亲和力可塑性，以更准确预测AOM群落动态。