中国科学院战略性先导科技专项(B类)

土壤-微生物系统功能及其调控

项目 - 项目4:土壤生物研究的新技术与新方法

项目4:土壤生物研究的新技术与新方法

由中国科学院南京土壤研究所贾仲君研究员负责。

 

总体目标

建立第三代单分子实时测序土壤功能微生物群落的技术体系,形成在国际上具有重要影响的三代测序宏基因组研究团队;建立国内外首个“土壤活体单细胞微生物功能基因组技术平台”,形成单细胞尺度下土壤模式菌群的碳、氮代谢模型,与专项其它项目紧密合作,产出具有重要国际影响的创新成果;建立活性与非活性土壤微生物的评价技术和指标体系;形成土壤有机质重要组分源解析和原位表征的评价方法和技术指标;建立规范化的土壤-微生物专项数据库系统;形成首创的生物-环境信息交互式数据库、完备的土壤微生物研究数据库服务云平台,为本专项提供关键的技术平台。

 

核心科学技术问题

  1. 新一代高通量测序能否改变传统的土壤微生物研究体系,对土壤微生物研究原理和方法会带来怎样的冲击? 
  2. 如何突破单细胞水平的基因组和转录组研究难点,实现高灵敏度、高可靠性和高通量的土壤微生物功能基因组研究?
  3. 稳定性同位素示踪土壤微生物标记物的技术灵敏度与准确性的直接和间接评价指标耦合关系是什么,如何评价土壤关键生物源元素专性/非专性转化的微生物驱动过程的动态特征(底物利用策略分析方法如何)?
  4. 如何突破单一序列分析的传统生物信息学分析框架,解决土壤物理-化学-微生物整合分析平台的技术难题?

 

主要技术路线

针对复杂土壤环境样品,以土壤微生物单分子实时测序的指标体系和分析平台构建为突破口,以典型土壤微生物参考基因组分析为切入点,通过耦合分析土壤碳氮磷转化关键过程功能微生物基因组,从方法学上推进土壤关键营养元素循环过程的微生物机制研究,结合土壤主要微生物类群分析,系统评价第一代、第二代和第三代测序技术在土壤微生物学研究中的应用;引进微流控、同位素示踪和拉曼漂移等先进技术,通过研发单细胞拉曼分选、单细胞全基因组分析和单细胞高通量培养等创新技术模块,评价其在土壤活体单细胞筛选及高通量分选方面的应用前景,拓展土壤微生物系统功能原位表征的技术体系,建立国内外首个集样品预处理、拉曼分选、核酸分析和细胞培养等为一体的“土壤菌群单细胞功能基因组技术体系”;利用已有的土壤属性专题数据库,构建先进的高通量数据整合分析平台,形成本专项土壤物理-化学-微生物属性整合与分析的重要技术服务平台。主要技术路线如下。

重点研究内容

  1. 土壤微生物单细胞筛选的新技术及应用
  2. 土壤微生物系统功能及其原位表征技术
  3. 土壤生物数据整合集成与分析平台建设

预期成果与贡献

  1. 建立国内外首个集样品预处理、单细胞拉曼分选、单细胞DNA/RNA分析、单细胞培养等的一体化“土壤菌群单细胞功能基因组技术体系”。
  2. 与本项目课题一合作,实现该技术体系与SIP等技术的对接和耦合,构建土壤菌群研究的创新技术体系 (如SIP-RACS、Raman-SIP等)。
  3. 建立单细胞尺度土壤模式菌群的碳、氮、磷代谢模型。
  4. 完成在国内外5~10个实验室的验证和推广示范,合作建立针对特定土壤研究应用的技术标准,服务本专项研究。
  5. 融合和利用现代分子生物学分析鉴定手段定量刻画土壤微生物标记物(核酸-磷脂脂肪酸-氨基糖)原位功能表征的内在联系,从基因水平到群落水平建立土壤碳氮微生物作用与功能系统化评价技术和指标体系。
  6. 建立直接定量测定稻田反硝化终产物N2的新方法,在此基础上阐明典型稻田土壤反硝化强度、关键限制因素及其功能微生物演变规律评价方法。
  7. 提供土壤微生物研究中,土壤采样规范,土壤样品保存规范,土壤数据整合规范。
  8. 提供土壤微生物协同工作平台,实现数据和文件的实时共享。
  9. 建设土壤微生物数据和环境数据可视化综合演示平台。
  10. 土壤微生物数据与环境数据的集成整合平台的构建。

 

研究内容

项目4重点开发土壤微生物研究的新技术,为本专项其它课题提供方法和技术支撑平台。项目四共设置3个课题: