凌恩生物美文分享 | 提升科研有一套 | 宏基因组磷循环分析又出
磷是包括微生物在内的所有生命体中不可缺少的元素。在生物大分子核酸、高能量化合物ATP、以及生物体内糖代谢的某些中间体中，都有磷的存在。在自然界中，磷的循环包括可溶性无机磷的同化、有机磷的矿化、不溶性磷的溶解等。微生物分解含磷化合物的作用，分为有机磷化合物的分解和无机磷化合物的分解两种，因此微生物在农业生态系统土壤磷循环和磷有效性的调控中起着重要作用。
图 气候变化与土壤磷循环[1]
目前，对于环境中磷元素循环挖掘主要是基于功能基因扩增、宏基因组数据分析等。功能基因扩增具有引物特异性，覆盖不够全面，只能获得部分的磷元素循环相关基因。虽然宏基因组测序技术发展迅速，但是人们对于关键的磷循环基因和微生物及其生态功能尚不清楚。因此，了解微生物驱动的磷循环和它们的生态效应至关重要。
凌恩生物全新升级宏基因组磷循环分析方案：
功能基因扩增
1、引物特异性，覆盖不够全面;
2、只能获得部分元素循环相关基因。
宏基因组分析
1、对于元素循环代谢通路不够全面，且循环路径分类不够明确；
2、不能满足目前高水平科研论文研究需求。
凌恩生物新流程
1、基于宏基因组标准分析得到的KEGG注释结果；
2、根据文献整合得到的碳、氮、硫和磷循环路径及详细基因丰度计算方式;
3、计算每个样本中碳、氮、硫和磷循环各路径的基因丰度，进而进行一系列样本间比较。
凌恩生物全新升级宏基因组磷循环方案，首先基于宏基因组标准分析得到的KEGG注释结果，通过查阅大量基于宏基因组测序分析环境微生物群落元素循环的相关文件，建立了完整的磷循环循环模式图。
通过建立完整的磷循环过程模式图，确定不同代谢过程所涉及的功能基因及其丰度计算方法，基于宏基因组测序数据的基因注释及丰度定量结果，对环境样品微生物群落磷循环能力进行分析及比较。构建了包含5个关键基因，涵盖2个P循环子路径的完整磷循环分析方案，基于该方案可对识别到的相关功能基因进行物种分类学注释，识别环境样本中参与磷循环的主要功能微生物种属，并快速准确地分析磷循环代谢的微生物群落的结构和功能，为研究微生物驱动的氮循环及其与其他元素的耦合机制提供保障。并可综合分析不同生境下磷元素循环的整体水平及其影响因素，为环境健康和影响评价提供基因水平上的有力证据。
磷循环路径
新升级的宏基因组磷循环分析内容包含四大分析模块：
磷循环功能基因丰度定量及比较分析
磷循环功能基因路径图
样本间/组间Beta多样性比较分析
宿主微生物识别及与功能基因的联合分析
新升级的宏基因组磷循环分析对结果的展示进行了细致的优化，在保证分析结果清晰展示的前提下，对分析结果图的各项细节参数进行了优化调整，分析结果无需任何调整即可直接达到文章发表要求。
凌恩生物磷循环分析结果展示图
磷循环功能基因丰度热图
磷循环功能基因路径循环图
样本间/组间比较分析
宿主微生物组识别（子路径）
经典文献案例
题目：土壤团聚体的氮磷循环[2]
期刊：Science of the Total Environment
影响因子：10.753
DOI：10.1016/j.scitotenv.2021.147329
土壤团聚体被认为是产生温室气体的生化反应器，为了阐明微生物在土壤团聚体中的作用及其对养分循环的贡献。本研究应用宏基因组学以及宏基因组binning重建微生物MAGs，研究了不同有机物质改良剂（牛粪和泥炭）和不同土壤团聚体大小影响的氮磷循环遗传机制。
研究表明与无机磷溶解相关的gcd和ppx基因在所有宏基因组数据中占主导地位。无论施肥方式如何，gcd基因在超大土壤团聚体（P<0.05）和大土壤团聚体（P<0.01）中的相对丰度显著高于微土壤团聚体。为了进一步表征土壤养分循环中的微生物及其遗传机制，作者利用宏基因组重建了11个适应氮和磷代谢的MAGs。gcd基因编码一种介导无机磷溶解的酶，在所有样品中占主导地位。7个高质量的MAGs含有gcd，拷贝数从1到7不等。在OM和PV处理下，具有磷溶解性的MAGs遗传性增大。该研究为不同土壤团聚体组分和施肥制度下，微生物对DNRA和P-溶解活性的遗传潜力，提供了全面的见解。
图1 不同施肥处理（a）和土壤团聚体大小（b）下土壤磷循环相关基因的标准化丰度。
图2 磷循环相关基因与土壤化学性质的相关分析
图3 120个标记基因串联比对的细菌MAG全基因组系统发育树。红点表示本研究中重建的MAGs。
参考文献
[1] Cycling of reduced phosphorus compounds in soil and potential impacts of climate change. European Journal of Soil Science, 2021.
[2] Metagenomic insights into nitrogen and phosphorus cycling at the soil aggregate scale driven by organic material amendments. Science of the Total Environment, 2021.
