上篇为大家介绍了元素循环中的“氮循环”相关功能基因,本期将为大家介绍其余的营养元素循环——“碳”元素循环。目前发现的固碳途径共有7条,而甲烷代谢和碳降解也是微生物相关的两条重要路径,所涉及的基因陈列在下表。
碳循环
微生物在碳循环中扮演着关键角色,通过参与碳固定、有机碳合成和分解,以及甲烷代谢等过程,在碳循环中发挥着不可或缺的作用。以下是作为分子标记的微生物碳循环相关功能基因。
cbbL基因和cbbM基因
cbbL基因和cbbM基因都是编码核酮糖-1,5-二磷酸羧化酶/氧化酶(RubisCO)的基因,它们在微生物的碳固定过程中起着关键作用
cbbL基因(有时称为rbcL基因)编码的是RubisCO Form I的大亚基,这是卡尔文循环中的关键酶,负责催化1,5-二磷酸核酮糖(RuBP)的羧化反应,生成3-磷酸甘油酸(3-PGA)。Form I的RubisCO广泛存在于藻类、蓝细菌、全部陆地植物和绝大多数好氧光能及化能自养微生物中。cbbL基因由于其高度保守性,常作为研究不同环境中卡尔文循环自养固碳微生物群落多样性的分子标记物。
cbbM基因编码的是RubisCO Form II的大亚基,同样参与卡尔文循环中RuBP的羧化反应。Form II的RubisCO存在于某些鞭毛藻类、光合细菌和好氧及兼性厌氧化能自养细菌中,cbbM基因的丰度通常较cbbL基因低,且多样性相对较低。
coxL基因
coxL基因编码的是碳一氧化物脱氢酶(Carbon Monoxide Dehydrogenase, CODH)的大亚基,该酶参与将一氧化碳(CO)转化为二氧化碳(CO2)的过程。
由于coxL基因与16S rRNA基因的系统发育一致性,coxL基因可以作为分子标记,用于研究CO氧化微生物群落结构。
coxL基因在海洋玫瑰杆菌类群、稻田土壤中的固碳细菌以及内蒙古温带荒漠草原土壤微生物中特别重要,它们在一氧化碳的氧化和碳循环过程中发挥着关键作用。
mcrA基因
mcrA基因是编码甲烷辅酶M还原酶(Methyl-Coenzyme M Reductase)的关键亚基的基因,甲烷辅酶M还原酶是催化甲烷生成的最后一步反应的关键酶。这一反应涉及将甲基辅酶M还原成甲烷。这一过程在产甲烷古菌(methanogens)中进行,这些微生物在厌氧环境中,如堆肥、湿地、反刍动物的瘤胃以及人类肠道等环境中发挥作用
mcrA基因在产甲烷古菌中高度保守,可作为产甲烷古菌的分子标记,被广泛用于环境样品中产甲烷古菌的检测和定量,通过分析mcrA基因的多样性和丰度,可以了解产甲烷古菌群落的结构和功能。
pmoA基因
pmoA基因编码的是微粒甲烷单加氧酶(particulate methane monooxygenase, pMMO),这是一种催化甲烷氧化的关键酶,将甲烷转化为甲醇。
pmoA基因常用于探测各种环境中甲烷氧化细菌的多样性和系统发育,pmoA基因因其在甲烷氧化细菌中的保守性和特异性,常被用作研究甲烷氧化细菌群落结构和功能的分子标记,通过比较pmoA基因与相应16S rRNA基因序列之间的相似性,可以覆盖甲烷氧化菌的分类。
总结
微生物功能基因检测能够完成快速检测携带该特异引物目的基因的微生物群落组成和结构,从而对特定生境下功能微生物分布进行调研,满足“快准精”调研功能微生物类群的作用。本篇为大家介绍了“碳循环”相关的功能基因,下期将为大家介绍“磷循环“,敬请期待。
联川-功能基因引物表
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