微生物功能基因能做些啥（上篇）

在环境微生物学研究中，功能基因的检测是关键，微生物的功能基因包括氮循环、碳循环、磷循环等相关功能基因。这些研究聚焦于物质代谢转化过程中的分子标记基因的选择，并利用这些标记基因的分子检测方法在自然环境中检测微生物功能类群的分布状况。即解析携带这些功能基因的微生物群落分布及结构。

高通量测序技术的发展满足了微生物分子生态学研究的需求，被广泛应用于微生物分子生态学研究中，包括PCR产物测序和宏基因组学测序技术

这些技术使得研究者能够快速分析环境中的微生物区系组成，并深入探索微生物的遗传多样性、功能潜力和代谢途径。

    本篇推文将为大家介绍元素循环中 的“氮循环”相关功能基因，氮是生物体的关键组成部分。氮原子存在于所有蛋白质和DNA中，对生物生长具有重要意义。氮循环中的重要过程包括固氮、氨化、硝化和反硝化等，人类活动如化石染料燃烧、肥料（氮肥）的使用极大地改变了全球氮循环，人类对全球氮循环地改变会对自然环境系统和人类健康产生负面影响。

图 氮循环相关基因及流程

微生物氮循环功能基因检测是环境微生物学研究中的一个热点领域，主要关注自然环境中直接参与氮循环的功能微生物类群的总量和多样性。氮循环包括多个转化过程，如固氮、硝化、反硝化、厌氧氨氧化、氮同化/异化还原、氨化和同化作用等。这些过程中的关键酶由特定的功能基因编码。

在氮循环功能基因检测中，分子标记基因是识别和研究特定氮循环过程中的关键微生物类群的重要工具。以下是一些主要的分子标记基因，它们分别对应氮循环的不同阶段。

固氮酶铁蛋白nifH——nifH基因

固氮作用的关键基因，nifH基因是编码固氮酶铁蛋白的基因，它是固氮酶系统的一部分，负责将大气中的氮气（N₂）还原成氨（NH₃），利用nifH基因序列与16S rRNA基因序列构建的系统发育树具有高度一致的进化表征特性，因此，研究人员常将nifH作为固氮作用的表征基因，检测环境中固氮微生物的种群结构及多样性。

氨单加氧酶（Ammonia Monooxygenase, AMO）——amoA和amoB基因

硝化过程中的关键酶，它催化氨（NH₃）氧化为羟胺（NH₂OH）。

amoA：氨单加氧酶亚单位A，是硝化作用中的关键基因，amoA基因检测是环境微生物学研究中用于识别和定量氨氧化微生物（包括氨氧化细菌AOB和氨氧化古菌AOA）的重要方法。

amoB、amoC：amoB基因和amoC基因与amoA一起，构成氨单加氧酶的三个亚单位。在氨氧化细菌（AOB）中，AMO氧化氨（NH₃）为羟胺（NH₂OH），这是硝化作用的第一步，也是速率限制步骤。

羟胺氧化还原酶hao——hao基因

hao基因编码的羟胺氧化还原酶（hao）位于细胞膜周质中，负责将羟胺（NH₂OH）转化为亚硝酸盐（NO₂-），这是硝化作用的第二步，同时产生氧化亚氮（N₂O）作为副产品。通过分析hao基因的丰度，可以了解土壤氮循环过程，特别是硝化作用中的羟胺氧化步骤。是研究土壤氮循环、评估农业土壤管理和温室气体排放的重要工具。

亚硝酸盐氧化还原酶nxr——nxrA和nxrB基因

nxrA、nxrB是编码亚硝酸盐氧化还原酶（Nitrite Oxidoreductase, NXR） 4个亚基中的2个（另外2个为nxrC和nxrD/T）。

这些亚基共同组成了NXR复合体，负责催化亚硝酸盐的氧化过程。NxrA和NxrB亚基通常在同一基因簇中共同定位，而NxrC亚基则单独定位。

nxr是硝化作用中的一个关键酶，它负责将亚硝酸盐（NO₂-）氧化为硝酸盐（NO₃-）。这一步骤是硝化作用的最后阶段，对于完成氮的氧化过程至关重要。

nxrA、nxrB基因可以作为研究土壤氮循环和评估氮肥管理效果的分子标记。通过检测nxr基因的多样性和丰度，可以了解土壤中硝化作用的微生物活性，进而为土壤管理和氮肥施用提供科学依据。

反硝化过程一般有四步反应，通过NO₃^--N→NO₂^--N→NO→N₂O→N₂四步反应将硝酸盐氮(NO₃^--N)转化为氮气(N₂)。反应分别由硝酸还原酶、亚硝酸还原酶、氧化氮还原酶和氧化亚氮还原酶催化实现生物脱氮，相对应的功能基因分别为nar、nir、nor和nos。

硝酸还原酶nar——narG基因

narG基因编码的是硝酸还原酶复合体中的一个催化亚单位，与narH一起形成催化二聚体，负责将硝酸盐还原为亚硝酸盐。这一步骤是反硝化作用的第一步，也是速率限制步骤，在环境微生物学中，narG基因被用来检测反硝化微生物的存在。通过检测narG基因的丰度，可以了解反硝化微生物在环境中的活性和分布。

亚硝酸还原酶NiR——nirS和nirK基因

编码亚硝酸还原酶（Nitrite Reductase, NiR）的基因，其中两个最重要的类型是nirK和nirS基因。

    nirK和nirS基因编码的亚硝酸还原酶（Cu-NiR和cd1-NiR）是自然界氮循环过程中催化亚硝酸盐还原的关键酶。这些酶在反硝化作用中是限速酶，将亚硝酸盐（NO₂^-）还原为一氧化氮（NO）或直接还原为氮气（N₂），从而参与氮的循环。

在环境工程中，nir基因被用作评估反硝化微生物活性和分布的重要工具。通过检测nirK和nirS基因的丰度，可以了解反硝化过程的效率。

一氧化氮还原酶基因nor——norB和norC基因

norB基因和norC基因是编码一氧化氮还原酶（Nitric Oxide Reductase, NOR）的不同亚基，它们在反硝化过程中起着关键作用，涉及NO向N₂O的转化。

norB基因编码的是一氧化氮还原酶的β亚单位（NorB），这个亚单位是膜锚定蛋白，包含两个亚铁血红素b和一个非亚铁血红素铁。其中一个亚铁血红素b将电子转移到二金属双核催化反应中心，释放N₂O到周质。在亚铁细胞色素c作为电子供体的条件下，此酶显示出很高的一氧化氮还原酶活性。NorB亚单位是NOR酶的催化亚基，直接参与一氧化氮的还原反应，而NorC亚单位则主要负责电子传递，将电子从细胞色素c传递给NorB亚单位。

nor基因被用作评估反硝化微生物活性和分布的重要工具。通过检测nor基因的丰度，可以了解反硝化过程的效率，这对于水处理和氮污染控制具有重要意义。

氧化亚氮还原N₂OR——nosZ基因

nosZ基因是编码氧化亚氮还原酶（Nitrous oxide reductase, N₂OR）的基因，它在反硝化过程中将氧化亚氮（N₂O）还原成氮气（N₂）。

nosZ基因检测有助于评估反硝化细菌的活性和多样性，这对于理解和预测土壤中的N₂O通量至关重要。

厌氧氨氧化（Anammox）作用过程是一种在缺氧条件下，由厌氧氨氧化细菌（Anammox bacteria）直接将氨（NH₄⁺）和亚硝酸盐（NO₂-）转化为氮气（N₂）的过程。

肼合成酶hzs——hzsA和hzsB基因

这是厌氧氨氧化细菌特有的酶，负责催化一氧化氮（NO）还原为羟胺（NH₂OH），并将羟胺与氨（NH₃）归中反应生成肼（N₂H₄）。

hzsA基因编码的是肼合成酶（hydrazine synthase, HZS）的α亚单位，hzsB基因负责编码联氨合成酶的β亚单位。

hzsA和hzsB基因与厌氧氨氧化细菌的16S rRNA基因有着很高的一致性，这表明它们可以作为厌氧氨氧化细菌的特异性分子标记用于多样性和定量检测研究。

肼氧化还原酶 hzo——hzoA和hzoB基因

厌氧氨氧化细菌中的联氨氧化酶（hydrazine oxidase, HZO），这种酶在厌氧氨氧化过程中将肼（N₂H₄）氧化成氮气（N₂）。HZO是一种三聚体蛋白，具有特定的光谱特性，能够在低底物浓度下将肼氧化成氮气。

hzo基因有两个基因编码hzoA和hzoB，它们与好氧氨氧化细菌的hao基因序列相似度较低，大约只有30%，但与某些特定物种中的hao基因有着较高的相似度（88%和89%）。

hzo基因的序列和多样性可以提供厌氧氨氧化细菌的物种分类信息，甚至可能比16S rRNA基因更优，因此经常被用作厌氧氨氧化细菌的标记基因，可用于研究厌氧氨氧化细菌的多样性和群落结构，在不同生境中的分布和活性。

氮异化还原作用（Dissimilatory Nitrate Reduction）是指在微生物的代谢过程中，硝酸盐（NO₃^-）被用作电子受体，通过一系列还原反应转化为亚硝酸盐（NO₂^-）、一氧化氮（NO）、氮气（N₂）或其他氮素形态的过程。

异化硝酸盐还原酶（NAP）——napA和napB基因

nap基因编码的周质硝酸盐还原酶（NAP）在微生物的异化硝酸盐还原过程中起着重要作用。这种酶能够将硝酸盐还原为亚硝酸盐，是反硝化过程中的关键步骤之一

napA基因：编码周质型异化硝酸盐还原酶，由异源二聚体组成，包含亚钼嘌呤辅助因子和4个Fe-S簇。napB基因：与napA基因一起编码异化硝酸盐还原酶。nap基因可以作为分子标记用于反硝化菌分子生态学的研究。

异化亚硝酸盐还原酶（ccNIR）——nrfA基因

nrfA基因编码周质异化亚硝酸盐还原酶（ccNIR），这是另一种异化亚硝酸盐还原酶，负责将亚硝酸盐（NO₂^-）还原为氨（NH₄⁺），nrfA基因在氮素循环中的重要性体现在它提供了一种将硝酸盐和亚硝酸盐转化为氨的途径，这对于某些微生物在缺氧条件下获取能量至关重要。

nrfA基因可以作为研究环境中反硝化微生物多样性和活性的分子标记。通过检测nrfA基因的存在和表达，可以了解环境中反硝化微生物的多样性和活性，进而评估氮素循环的状态和趋势

尿素酶（urease）——ureC基因

尿素酶是一种能够将尿素水解为氨和碳酸的镍依赖酶。它在多种微生物中发挥作用，包括在农业生态系统中对尿素的转化。

尿素酶由结构基因和辅助蛋白基因组成。结构基因包括 ureA、ureB 和 ureC，分别编码尿素酶的不同亚基。其中，ureC 基因编码尿素酶的最大亚基，包含活性中心、镍结合位点和多个高度保守的序列，适合用作PCR引物位点，并在尿素酶分析中广泛使用。

ureC基因在微生物尿素分解、氮循环以及环境和农业土壤质量评估中扮演着重要角色。通过对ureC基因的研究，可以深入了解微生物在氮循环中的功能和生态作用。

这些分子标记基因在环境微生物学研究中具有不可替代的作用，它们使得研究者能够实现对氮素转化过程中关键微生物类群的检测和分析。通过这些基因的检测，可以揭示不同氮循环过程中微生物的多样性和功能活性，进而理解微生物在氮循环中的作用机制。

联川-功能基因引物表

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