土壤微生物分解含硫氨基酸规律及其化学计量学调控机制
批准号:
32102488
项目类别:
青年科学基金项目(C类)
资助金额:
30.0 万元
负责人:
马庆旭
依托单位:
学科分类:
肥料与养分管理
结题年份:
2024
批准年份:
2021
项目状态:
已结题
项目参与者:
马庆旭
中文摘要
半胱氨酸和蛋氨酸是一类既含氮又含硫的特殊氨基酸,可为微生物和植物提供氮源和硫源,然而其中碳、氮和硫在时间尺度上的循环利用及其微生物机制还未可知。我们拟采用洛桑试验站长期点位点土壤,采用13C、15N、14C和35S放射性同位素结合稳定性同位素同步标记技术,研究土壤微生物吸收利用氨基酸机理。采用13C-PLFA、13C-DNA-SIP技术,研究哪些微生物在竞争吸收氨基酸中起到核心作用;并且采用UHPLC-QTOFMS/MS检测微生物中13C标记的有机分子,进而推测微生物利用氨基酸的分子途径,分析微生物吸收利用半胱氨酸和蛋氨酸后如何维持自身化学计量学平衡。最后,研究氨基酸在土壤溶液中的分解,确定土壤溶液少量的微生物能否将土壤中半胱氨酸和蛋氨酸迅速分解,并且探索长期施肥是否会影响氨基酸分解过程。该研究对深入理解土壤元素循环微生物分子机制具有重要的理论价值,对植物硫营养具有重要的应用价值。
英文摘要
Cysteine and methionine are a kind of special amino acids containing both nitrogen and sulfur, which can provide nitrogen and sulfur sources for microorganisms and plants. However, the recycling and utilization of carbon, nitrogen and sulfur in amino acids on the time scale and their microbial mechanisms are unknown. We plan to study the mechanism of soil microbial absorption and utilization of cysteine and methionine by using 13C, 15N, 14C and 35S, combination radioisotopes with stable isotope labeling technique under the long-term fertilization soil. 13C-PLFA and 13C-DNA-SIP techniques will be used to study which microorganisms played a key role in the competitive absorption of amino acids. In addition, UHPLC-QTOFMS/MS will be used to detect 13C-labeled organic molecules in microorganisms, so as to predict the molecular pathways of microbial utilization of cysteine and methionine, and analyze how microorganisms maintain their stoichiometric balance after absorption and utilization of cysteine and methionine. Finally, the decomposition of amino acids in soil solution was studied to determine whether small amount of microorganisms in soil solution could rapidly decompose cysteine and methionine, and to explore whether long-term fertilization would affect the decomposition process of amino acids. This study has important theoretical value for further understanding the molecular mechanism of soil element cycling microorganisms, and has important application value for efficient utilization of plant sulfur.
氨基酸是土壤中含量最高的可溶性有机物质之一,在土壤碳、氮、硫循环中起关键作用。土壤氨基酸能够被微生物快速分解,但其中碳、氮、硫在时间尺度上的去向及形态变化,微生物吸收氨基酸后如何调控自身化学计量学平衡尚不清楚。我们采用洛桑试验站自1964年以来长期施用有机肥/无机化肥土壤(1964-2020),研究有机硫的分解机理及其受长期有机肥施用的影响。本项目通过13C、15N、14C和35S放射性同位素结合稳定性同位素同步标记技术,研究了土壤中半胱氨酸和蛋氨酸的分解过程及其微生物机制。我们发现微生物利用半胱氨酸和蛋氨酸的三个核心过程,分别为快速吸收进微生物体内,微生物体内代谢后释放 CO2 和无机氮硫过程,最后无机氮硫再被微生物吸收利用。微生物利用半胱氨酸比利用蛋氨酸释放更多的 CO2和 SO42−,主要由于微生物利用这两种氨基酸的代谢途径不同,而不是利用它们的微生物群落组成的差异。半胱氨酸和蛋氨酸的分子结构决定了它们的短期利用。半胱氨酸最初分解为丙酮酸,而蛋氨酸最初转化为α-酮丁酸和S-CH3。土壤微生物对有机硫的短期利用取决于氨基酸结构,而土壤微生物对有机硫的长期利用取决于微生物控制的化学计量学平衡。此外,土壤溶液中少量的微生物就能够将含硫氨基酸快速分解,但其再利用过程较弱。我们基于四标记同位素技术,采用盆栽实验研究了在面临微生物激烈竞争的土壤环境中,植物根系能够吸收分子态含氮/硫氨基酸及其相应的营养贡献。在提供有机无机混合的氮源和硫源的条件下,玉米和大豆能够吸收1.9-2.2%蛋氨酸和0.6−1.6%半胱氨酸,表明植物根系在面临微生物激烈竞争的土壤中仅能吸收少量的分子态含硫氨基酸,且AM菌根能够协助植物捕获更多来自于含硫氨基酸的硫源。该研究为深入理解土壤元素循环过程和土壤-植物-微生物交互过程提供了理论支撑。
土壤含硫氨基酸生物有效性及其微生物竞争机制
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批准号:LZ23C150002
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项目类别:省市级项目
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资助金额:0.0万元
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批准年份:2023
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负责人:马庆旭
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依托单位:
国内基金
海外基金