中国科学院城市环境研究所崔丽研究员团队的文章“Single-cell Raman and functional gene analyses reveal microbial P solubilization in agriculture waste-modified soils”于2023年6月14日在mLife 正式上线。该研究团队利用单细胞拉曼技术与功能基因芯片技术开展了菜籽饼施用促进微生物解磷功能的研究，发现菜籽饼施用促进土壤中解磷菌丰度与活性上升，并且与磷循环相关功能基因的丰度随之上升，该研究为原位研究微生物解磷功能提供了新思路。
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背景介绍
磷是农业生产中重要的养分元素。然而大部分磷以难溶性形式固定在土壤中。解磷菌可以通过分泌磷酸酶和小分子有机酸来释放被固定的磷，从而缓解磷危机。菜籽饼是一种富营养的农产品副产物，其对微生物解磷过程的影响尚不可知。目前对解磷过程的研究主要集中在功能基因上，缺乏对原位解磷菌功能表型的认知。
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科学发现
1. 利用单细胞拉曼结合重水标记揭示菜籽饼施用促进微生物表型解磷功能
将土壤反复淋洗去除可溶性磷，然后添加重水以标记土壤中的解磷菌（图1A）。其中具有拉曼碳氘峰的微生物为解磷菌，无碳氘峰则为非解磷菌（图1B）。结果发现，菜籽饼施用显著提高了洞湖地区土壤解磷菌的活性（图1C）。通过计算含拉曼碳氘峰菌占总菌的比例获得解磷菌的丰度，菜籽饼施用显著增加了洞湖地区和德州地区土壤解磷菌的丰度（图1D）。之前研究微生物解磷能力主要是基于酶活的分析。然而，该方法平均化微生物的解磷能力，不能揭示活性解磷菌亚群。该研究利用单细胞拉曼技术实现了土壤活性解磷菌的识别并解析单细胞水平的解磷能力异质性。
图1 单细胞拉曼技术研究微生物表型解磷功能
2. 利用功能基因芯片技术揭示菜籽饼施用增加元素循环相关功能基因丰度
在土壤样本中共检测到61个碳氮磷循环相关的功能基因（图2A），结果发现土壤类型与菜籽饼施用均会改变功能基因的丰度（图2B-G）。总体来看，在各类土壤中菜籽饼施用提升功能基因的丰度。微生物解磷过程不是单一的，与碳氮循环均有耦合，比如有机物的降解和硝化过程可以产生有机酸、质子，进而促进磷循环。
图2 高通量功能基因定量技术研究磷循环相关功能基因
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总结展望
该研究利用单细胞拉曼光谱和碳氮磷功能基因芯片，揭示了菜籽饼施用对农田土壤中微生物解磷功能表型和基因型的影响。该研究加深了我们对农业废弃物再利用的认知，通过调动土壤解磷菌活化土壤固定态磷，从而减少磷肥施用，缓解目前的磷危机。
引用本论文：Li H, Ding J, Zhu L, Xu F, Li W, Yao Y, et al. Single‐cell Raman and functional gene analysis reveals microbial P solubilization in agriculture waste‐modifiedsoils. mLife. 2023; 1–11.
https://doi.org/10.1002/mlf2.12053
第一作者
李弘哲 特别研究助理
作者单位：中国科学院城市环境研究所
作者简介：博士学位，iMeta青年编委，研究方向是单细胞技术与土壤微生物。
通讯作者
崔丽 研究员
作者单位：中国科学院城市环境研究所
作者简介：博士生导师，国家优秀青年基金获得者。长期从事单细胞拉曼新技术研发，研究环境风险（抗生素抗性、病原菌）和有益功能微生物（氮磷循环、塑料降解），在PNAS、Angew Chem、PNAS nexus、Anal Chem、Environ Sci Technol等发表文章70余篇，应邀为Anal Chem撰写综述，担任mSystems编辑和Engineering青年通讯专家。
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期刊简介
mLife是由中国科学院主管、中国科学院微生物研究所主办（中国微生物学会为合作单位）的我国微生物学领域第一本综合性高起点英文期刊。mLife瞄准全球微生物学领域高水平科研成果和前沿进展，报道内容覆盖微生物学各个学科。mLife的办刊目标是打造微生物学领域国际旗舰期刊。
期刊网站：
http://mlife.im.ac.cn/
https://wileyonlinelibrary.com/journal/mLife
投稿网站：https://mc.manuscriptcentral.com/mlife
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