表2 生物地球化学循环比较（氮循环NCycle，硫循环SCycle，磷循环PCycle）

2.磷循环(PCycle)的分析策略

磷循环（PCycle）是指磷元素在生态系统和环境中运动、转化和往复的过程。磷是植物所需注意营养元素之一，对植物生长和繁殖起关键作用。自然界的磷循环的基本过程是：岩石和土壤中的磷酸盐由于风化和淋溶作用进入河流，然后输入海洋并沉积于海底，直到地质活动使它们暴露于水面，再次参加循环。在整个磷循环中存在陆地生态系统磷循环和水生生态系统磷循环。人类开采磷矿石，制造和使用磷肥与农药，以及排放含磷的工业废水和生活污水，都会对自然界的磷循环产生影响。针对宏基因组微生物群落的磷循环（PCycle）数据分析，目前研究主要的分析策略与研究方法如下：

表3 磷循环（PCycle）分析策略比较

分析策略一：磷硫环（PCycle）与其它数据库注释结果整合分析

1) 通过宏基因组测序获得整体微生物群落的物种分布情况以及变化趋势，以及不同比较组间的差异标记物及基因。

2) 利用磷循环（PCycle）分析结果，获得磷循环功能基因（PCGs）。通过磷循环功能基因（PCGs）共发生网络锁定核心功能基因，将关键功能基因与目标物种关联。

3) 利用磷循环（PCycle）分析结果，结合EggNOG数据库，将目标基因与蛋白功能分类关联。（对于EggNOG数据库的分析策略和方法，可参考推文“如何在微生物群落中寻找目标基因的功能”）。

图2 基迪奥宏基因组分析流程

图3 基迪奥磷循环（PCycle）分析 Circos 图

分析策略二：挖掘磷循环（PCycle）分析的关键环境因子

利用磷循环（Pycle）分析获得目标磷循环功能基因，结合环境因子数据，分析参与磷循环（PCycle）各个过程的主要影响因素，例如土壤生理生化指标等都可能成为影响磷循环（PCycle）研究的主要因素。

分析策略三：宏基因组组装基因组（MAGs）分析获得较完整的目标基因

利用宏基因组组装基因组（MAGs）分析策略可以得到相对更完整的基因组序列与基因序列，进而获得更准确全面的磷循环（PCycle）功能基因集合。磷循环（PCycle）分析多数应用于土壤生态系统的研究，而宏基因组MAGs分析也更适用于数据量复杂的群落研究。目前基迪奥已上新宏基因组组装基因组（MAGs）分析流程，对土壤微生态的磷循环（PCycle）研究可以获得更接近预期的分析结果。

图4 基迪奥特色宏基因组MAGs分析

3.磷循环(PCycle)分析的经典案例

题目：

Microbial phosphorus-cycling genes in soil under global change

发表期刊：WILEY（IF：10.4）

发表时间：2024年

研究目的

青藏高原的气候变化导致了变暖和降水异常，这改变了高山草甸土壤微生态的磷循环系统。然而，对于这些磷影响的生态系统来说，变暖和降水变化等环境因素对细菌的关键“胞外”和“胞内”磷循环基因（PCGs）的相互作用和连锁效应仍未可知。利用宏基因组学数据分析了变暖和降水变化对土壤磷循环基因（PCGs）和磷转化的影响，以及变暖与降水等环境因素对土壤微生态系统中微生物的作用。

主要研究结果

01利用宏基因组测序数据组装与binning ，获得 Metagenome-assembled genomes（MAGs）。通过 Metagenome-assembled genomes（MAGs）获得的基因集合与磷循环（PCycDB）数据库比对，获得磷循环（PCycle）功能基因分类信息。宏基因组Metagenome-assembled genomes（MAGs）分析发现120个与土壤磷循环有关的基因（PCGs），覆盖10个磷循环途径，在所有土壤样品中，嘌呤代谢，转运蛋白，嘧啶代谢的代谢途径富集到的磷循环功能基因（PCGs）最多。而且当存在单一气候因素（降水增加，降水减少，或者单独变暖）时，磷循环功能基因（PCGs）丰度与环境因素均存在负相关性。而在变暖和降水联合作用下，磷循环功能基因（PCGs）丰度增加。

图5 土壤中120个微生物磷循环（PCycle）功能基因相对丰度

星号表示变暖和降水环境因素对参与磷循环（PCycle）功能基因相对丰度存在显著影响

02通过宏基因组测序，获得磷循环（PCycle）功能基因分类信息，结合环境因子数据，分析参与磷循环（PCycle）环各个过程的主要影响因素。研究结果发现54个磷循环功能基因（PCGs）与土壤磷成分存在显著相关性，表明磷循环功能基因（PCGs）会影响高山草甸土壤中的磷转化和循环。

图6 变暖和降水联合作用下磷循环（PCycle）功能基因与土壤磷成分的相关性

03通过宏基因组测序获得整体微生物群落的物种分布情况以及变化趋势。宏基因组 Metagenome-assembled genomes（MAGs）分析获得16个微生物基因组分箱（MAGs），其完整性超过80%，污染率低于10%。16个MAGs通过 GTDB-Tk 在系统发育上被分类为Streptococcus, Cytophagales , Flavobacteriaceae andAlphaproteobacteria 。但是在变暖和降水联合作用下获得的MAGs为Acidobacteriota 。

图7 基于GTDB-Tk分类的16个MAGs的物种分类归属

总结与点睛

磷循环是一个复杂的生态过程，涉及地质、化学和生物多个方面。人类活动对磷循环的干扰也可能带来环境问题，需要科学管理和合理利用磷资源，以维持生态系统的平衡和可持续发展。磷循环（PCycle）主要存在于土壤，水体以及生物体内。磷循环（SCycle）分析对于土壤微生态研究尤其重要，由以上磷循环（PCycle）分析的简单介绍，我们概括磷循环（PCycle）研究主要内容如下：

1. 利用磷循环（PCycle）分析获得不同生境内磷循环（PCycle）功能基因的注释信息。

2.利用磷循环（PCycle）分析结合EggNOG数据库，获得目标基因的具体功能信息。

3.利用磷循环（PCycle）功能基因结合环境因子数据，推测影响整个生境的关键环境因素。

目前基迪奥已开发成熟的宏基因组分析流程和宏基因组MAGs分析流程，可以完成宏基因组数据挖掘的特色个性化分析，并已有完善的在线交互平台辅助分析。

图8 基迪奥Omicsmart宏基因组在线分析平台

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图9 基迪奥宏基因组项目展示平台

基迪奥微生物多组学研究，具有丰富的经验和显著的成果，处于同行业领先地位，欢迎有微生物组学研究意向的老师与基迪奥合作，可以拨打咨询电话：

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