探讨分子机制细胞过程和元素循环之间的相互作用

两个能源部用户设施，即环境分子科学实验室(EMSL)和联合基因组研究所(JGI)，根据“用户科学合作设施”(FICUS)联合召集2019年研究中选出的41项提案中的12项倡议。这是EMSL和JGI之间的第六次FICUS呼叫，因为生物和环境研究办公室(BER)于2014年成立了协作科学计划，以利用美国能源部办公室管理的两个国家用户设施的综合专业知识和资源。科学支持能源部的能源，环境和基础研究任务。

通过EMSL-JGI FICUS调用，用户可以将EMSL独特的成像，组学和计算资源与JGI的尖端基因组学，DNA合成和互补功能相结合。由于这些设施具有广泛的表征和分析能力，因此研究人员不应成为所有科学仪器的专家用户。相反，来自两个用户设施的科学人员与研究人员一起评估他们的需求并帮助他们进行方法学，实验和可视化。

接受的提案始于2018年10月1日，并且是：

斯坦福直线加速器中心和斯坦福大学的Kristin Boye和Co-PI Christopher A. Francis 正在研究氧化还原循环冲积系统中的微生物代谢活动和生物地球化学反应网络。氧化还原驱动的反应开关与水饱和度和有机物质可用性有关，它们调节有机碳，养分和污染物的保留，转化和释放，从而影响地下水质量。该研究将重点关注位于怀俄明州Riverton附近的受铀污染的洪泛区，其中氧化还原条件的显着季节性波动表现为硫化物，溶解的Fe和Mn(还原条件)和Fe氧化物(氧化条件)的临时和空间异质存在。这些波动似乎与水饱和度和有机物质可用性有关，它们驱动有机碳，养分和污染物(U，Mo)向地下水和地表水的输出。

来自Westerdijk真菌生物多样性研究所和康考迪亚大学的Ronald Peter deVries和Co-PI Adrian Tsang(Co-PI)正在寻求验证使用基于直系同源的方法从参考糖中推断出的进化多样性真菌的代谢模型。黑曲霉的分解代谢遗传网络。对糖分解代谢的了解不仅与理解这些真菌在自然栖息地中的作用和能力有关，而且还可以用于构建用于生产有价值和/或生物启发的化学品和材料的合成途径。

来自密西西比大学和加州大学河滨分校的Erik FY Hom和Co-PI Jason E. Stajich正在研究生物土壤结皮(BSCs)中的微生物相互作用和协调的营养反应，这些干旱和半干旱旱地是主要的地面覆盖物。占全球陆地面积的约40%。BSC开展重要的生态服务，如碳固氮，土壤有机质的生产，土壤水分保持，降​​雨径流的重新分配，微生物和动物的食物来源的提供，以及促进维管植物的生长。该提案的重点是了解BSC微生物如何相互作用 - 代谢和物理 - 影响BSC生态系统服务和功能的一个方面：集体碳和氮循环。

来自太平洋西北国家实验室的James J. Moran，正在寻求将根际磷和碳循环联系起来。根系分泌物为根际微生物群落提供碳源。作为回报，这些社区有助于调动植物生长所需的营养。该团队假设根系分泌物的空间定位通过利用根际内分散的微生物和地球化学微环境最大化磷返回植物。他们计划研究柳枝稷微观世界，以便更好地了解从土壤到这种生物能源作物的养分输送的基本控制。加强对根际碳和磷循环之间联系的理解将支持边缘土地上的柳枝稷生长，以支持能源部的生物能源生产任务重点。

加州大学圣巴巴拉分校的Michelle A. O'Malley正试图破解厌氧真菌中次生代谢产物的结构和功能。基于最近发现的生物合成机制，负责在厌氧真菌门Neocallimastigomycota的基因组内产生大量次级代谢产物，O'Malley的团队假设厌氧肠道真菌在压力条件下，如低营养可用性，氧气存在或微生物竞争，合成次级代谢物，使它们作为财团的重要成员生存和繁荣。O'Malley的目标是利用这项研究加速从厌氧真菌中鉴定新的代谢物，这些新的代谢物可直接用作生物燃料和生物产品，或作为调节微生物菌群的工具加以利用。

来自加州大学圣巴巴拉分校的Ryoko Oono，正在寻求通过宿主特异性真菌内生菌了解植物凋落物降解和微生物防御，检查不同内生真菌物种对其寄主凋落物和竞争真菌的转录组学，蛋白质组学和代谢组学特异性。凋落物衰老是一个未开发的阶段，通过寄主特异性的专性内生真菌快速定植和转化植物组织物质，用于子实体发育。该结果可以改变当前微生物群落演替和凋落物功能的范例，并用于解释物种多样性与主要生态系统过程(如碳循环)之间的联系。Oono希望本研究的见解能够将不同内生真菌的未开发功能与生物燃料，抗生素的生产相结合，

来自耶路撒冷希伯来大学和劳伦斯利弗莫尔国家实验室的Yeala Shaked和Co-PI Rhona Stuart分别正在研究微生物聚生体对矿物质溶解的相互作用机制。生态系统内的基本代谢功能通常在微生物群落的各个成员之间划分，每个成员都有益于整个群体。这种相互依赖性构成了微生物群落，可以提高能源利用效率和养分利用率。确定这些相互作用对于理解陆地和水生环境中代谢率与元素循环之间的关系至关重要。在这项研究中，Shaked和Stuart专注于异养细菌和光合固氮菌之间共生关系的遗传和分子基础，Trichodesmium，了解Trichodesmium / epibion​​t consortia溶解和摄取矿物质相关元素的化学途径。成功将为矿物质溶解机制提供遗传和分子基础，这些机制可以在元素循环的生态系统模型中表示，或者被设计用于改善生物能源生产。

来自普渡大学的Kevin V. Solomon和Co-PI Scott D. Briggs正在研究厌氧真菌中表观遗传调控的影响，以制定控制木质纤维素酶表达和增加木质纤维素分解和生物燃料生产活性的策略。Solomon和Briggs试图在厌氧真菌的特定转录物和蛋白质表达谱上表征全球表观遗传调控的程度，并将它们与基因座位上的特定组蛋白和DNA修饰联系起来。然后，他们将描述围绕这些修饰的局部染色质结构，以评估调节机制并鉴定有希望的表观遗传目标以进一步工程化。

来自田纳西大学的Cong T. Trinh正在寻求理解和利用未驯化的解脂耶氏酵母菌株对于设计师生物酯的生物合成的稳健性。通过利用JGI和EMSL的基因组学和分子鉴定，Trinh计划采用整体方法阐明lipolytica的潜在机制1)在低氧条件下耐受并有效吸收抑制性生物质水解产物以获得优异的脂质积累，2)在两相发酵系统中耐受有利于生产生物燃料/生物产物的有机溶剂，和3)内源降解脂质并生产具有广泛应用的酯类，如燃料，溶剂，香精和香料。所提出的研究的成功不仅为理解和利用解脂耶氏酵母作为生物能微生物平台的优异稳健性提供了实质性基础知识，而且还推进了微生物转化技术，以从木质纤维素生物质中生产多种类型的生物燃料/生物产品。

橡树岭国家实验室的David J. Weston和Co-PI Wellington Muchero正在研究植物遗传变异和周围微生物组对高温下泥炭藓相关固氮的影响。Sphagnum对任何单一植物属的全球碳通量影响最大，其生产力主要归因于与其相关微生物组和环境的独特相互作用。研究人员将基因组学和蛋白质组学研究与同位素标记的成像测量相结合，以了解固氮和植物微生物共生。他们特别想探索他们最近发现的Sphagnum 当接种适应温暖的微生物组时，在高温下生长更好。

科罗拉多州立大学的Michael J. Wilkins正在寻求了解科罗拉多州西部高原流域的低温碳处理的气候和水文反馈。该研究将重点关注在季节性时间点的低阶河流系统河床中发生的过程，其中观察到河流水的变化模式 - 地下水混合，可能产生强烈的氧化还原梯度。这项工作将为河流水文学，碳化学和微生物活动如何在易处理的时间尺度上转变提供新的见解。鉴于这种多山的高地集水区正在经历与长期环境变化相关的快速生态系统变化，因此强烈需要更好地约束这些相互作用和反馈。