我國土壤類型多樣，地理分異特征明顯。大空間尺度上環(huán)境條件變化如何影響小尺度下的土壤微生物群落結(jié)構(gòu)與功能的演化，即是科學前沿，也是研究難點。例如，最近西班牙研究人員發(fā)現(xiàn)在海洋環(huán)境中，由于NH3極度匱乏，導致氨氧化古菌長期適應(yīng)底物脅迫逆境，發(fā)展了尿素水解為基礎(chǔ)的古菌氨氧化代謝途徑（Alonso-Sáez et al. 2012. PNAS. 109: 17989），這一新的古菌微進化機制被PNAS同期論文點評（Kirchman 2012 PNAS. 109: 17732）。與大部分海洋環(huán)境類似，酸性土壤中NH3濃度極度匱乏，僅在nM水平。地球陸地表層30%左右的土壤偏酸性，而我國pH在4.5-5.5之間的鐵鋁酸性土壤約占全國土地總面積22.7%，但古菌如何適應(yīng)酸性土壤的底物脅迫，是否具有尿素水解為基礎(chǔ)的氨氧化代謝路徑，目前仍不清楚。2012年，賈仲君課題組聯(lián)合中國農(nóng)科院茶葉研究所，采用高度靈敏的15N示蹤和高通量測序技術(shù)，證實復雜的自然土壤環(huán)境中存在尿素水解為基礎(chǔ)的古菌氨氧化過程。研究結(jié)果被國際微生物生態(tài)雜志刊發(fā)（Lu et al. 2012. ISMEJ 6: 1978），然而，復雜環(huán)境中，古菌脲酶作用機制仍不清楚，復雜環(huán)境中活性的氨氧化古菌是否具有脲酶基因，仍未見報道。

    最近，中科院南京土壤研究所賈仲君課題組利用穩(wěn)定性同位素13C-示蹤酸性土壤氨氧化古菌核酸DNA，揭示了復雜土壤中活性氨氧化古菌的系統(tǒng)發(fā)育地位，進一步利用高通量測序技術(shù)，發(fā)現(xiàn)活性氨氧化古菌含有脲酶基因，表明氨氧化古菌具有脲酶水解的遺傳基礎(chǔ)。采用13CO2和尿素培養(yǎng)兩種酸性土壤8周后，酸性古菌在土壤中大量生長，其核酸DNA被13C-標記，通過超高速等密度梯度離心獲得氨氧化古菌的13C-DNA，結(jié)合新一代高通量測序等技術(shù)，在多基因水平清楚揭示了古菌主導酸性土壤氨氧化的生態(tài)過程，并可能在NH3長期脅迫條件下進化出了脲酶水解基因。進一步的乙炔生理抑制實驗表明：土壤古菌生長所需的能量完全依賴于氨氧化，清楚揭示了復雜土壤環(huán)境中古菌化能無機自養(yǎng)代謝類型。研究結(jié)果最近被《環(huán)境微生物》雜志（Environmental Microbiology.）在線刊發(fā)。

    據(jù)估算，全球每年大約1億噸氮肥進入農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)，約占全球氮輸入量的25%強。我國氮肥年施用量高達2600萬噸，其中絕大部分氮肥以尿素形式進入土壤。該研究成果拓展了復雜酸性土壤環(huán)境中古菌的代謝多樣性，初步揭示了氨氧化古菌適應(yīng)底物脅迫環(huán)境的微進化機制，為未來準確評估酸性土壤氮循環(huán)及其農(nóng)業(yè)與環(huán)境效應(yīng)提供了科學依據(jù)。目前，國際NCBI數(shù)據(jù)庫中氨氧化古菌脲酶基因絕大部分來自該課題組的實驗。