海洋所揭示深海硫氧化細(xì)菌單質(zhì)硫形成與光能利用耦合新機(jī)制
近日,國際分子生物學(xué)期刊The EMBO Journal(Nature index)刊發(fā)了題為“Blue light promotes zero-valent sulfur production in a deep-sea bacterium”的論文,報(bào)道了中科院海洋所孫超岷課題組在深海硫氧化細(xì)菌硫代謝和光能利用耦合機(jī)制方面的最新研究成果,為認(rèn)知和評估微生物對深海硫元素循環(huán)的驅(qū)動作用和貢獻(xiàn)提供了新角度,也為解釋我國南海冷泉噴口廣泛分布硫單質(zhì)的成因提供了新思路。
在深海生命形式中,微生物類型最為多樣,對元素生物地球化學(xué)循環(huán)發(fā)揮關(guān)鍵的驅(qū)動作用。在眾多元素中,硫元素參與了許多重要生命活動,與多個(gè)元素循環(huán)通路相耦聯(lián),其生物地球化學(xué)循環(huán)過程一直是了解深海物質(zhì)能量循環(huán)的關(guān)注點(diǎn)。單質(zhì)硫作為硫元素循環(huán)過程的重要中間代謝產(chǎn)物,可為微生物暫時(shí)儲存能量。在前期科考調(diào)查中,海洋所張鑫團(tuán)隊(duì)基于拉曼光譜觀測到我國南海冷泉環(huán)境中單質(zhì)硫含量豐富,但是形成原因不清晰。孫超岷課題組發(fā)現(xiàn)一株冷泉細(xì)菌Erythrobacter flavus 21-3能基于一條新型硫氧化途徑將硫代硫酸鈉轉(zhuǎn)化成單質(zhì)硫,該硫氧化途徑在很多深海微生物中都存在(ISME J, 2020),在深海原位被證實(shí)也能真實(shí)發(fā)生(mBio, 2022),對深海硫元素循環(huán)有重要貢獻(xiàn)。
一次偶然機(jī)會,研究人員發(fā)現(xiàn)藍(lán)光可以顯著提升該菌株產(chǎn)生單質(zhì)硫的效率,這促使他們開展了更深入的探索性工作,并最終證實(shí)了一條藍(lán)光促進(jìn)深海硫氧化細(xì)菌形成單質(zhì)硫的新通路。在該通路中,LOV組氨酸激酶LOV-1477是E. flavus 21-3光硫耦合通路中的重要藍(lán)光感受器;LOV組氨酸激酶LOV-1477接收到外界藍(lán)光刺激后,進(jìn)一步激活二鳥苷酸環(huán)化酶DGC-2902,使其釋放c-di-GMP調(diào)控下游通路;c-di-GMP進(jìn)一步與含PilZ蛋白結(jié)構(gòu)域的mPilZ-1753結(jié)合,增強(qiáng)其與硫代硫酸鹽脫氫酶TsdA的相互作用,而后引起硫代硫酸鹽代謝能力的增強(qiáng),最終導(dǎo)致單質(zhì)硫的產(chǎn)量增加。該團(tuán)隊(duì)還發(fā)現(xiàn),在該菌株的光硫耦合通路中,硫代硫酸鹽在TsdA的作用下轉(zhuǎn)化為連四硫酸鹽后,兩個(gè)功能相同、可互為替代的硫氧化蛋白SoxB(SoxB-277和SoxB-285)能進(jìn)一步將連四硫酸鹽水解,驅(qū)動單質(zhì)硫的生成。
作為一株來自深海冷泉的非光合細(xì)菌,E. flavus 21-3的單質(zhì)硫產(chǎn)生為何會對光作出響應(yīng)?要回答這個(gè)問題,首先需要明確深海是否有光以及深海微生物是否有利用光的能力。深海被認(rèn)為是一個(gè)黑暗的、由化學(xué)能支撐維系的生態(tài)系統(tǒng),但越來越多的證據(jù)表明深海存在不同形式的地質(zhì)光(如熱液區(qū)的熱輻射光)或生物發(fā)光。相應(yīng)地,孫超岷團(tuán)隊(duì)近年來陸續(xù)發(fā)現(xiàn)多種深海微生物能感知或利用光能。比如,熱液非光合細(xì)菌正黃胞球菌可以通過光敏色素感知紅外光(Environmental Microbiology, 2021);熱液非光合細(xì)菌海源桿菌能借助形成的硫化鎘納米顆粒利用光能(Environmental Microbiology, 2021);冷泉非光合細(xì)菌海綿桿菌能感知藍(lán)光(mSystems, 2022);冷泉綠彎菌新分支在實(shí)驗(yàn)室和深海原位環(huán)境均能進(jìn)行光合作用(mBio, 2022)。上述這些成果充分證實(shí)了“深海有光且深海微生物具有利用光的能力”。那么,深海硫氧化細(xì)菌E. flavus 21-3的光響應(yīng)能力會為它的生存帶來哪些優(yōu)勢呢?
研究人員推測,由于單質(zhì)硫可以用來儲存能量,光硫耦合通路的存在會讓E. flavus 21-3在藍(lán)光出現(xiàn)時(shí)合成更多的單質(zhì)硫,用于支持后期的生長代謝。該研究揭示了一種此前鮮有關(guān)注的深海微生物中光響應(yīng)及硫代謝之間的耦聯(lián),對于后續(xù)探索深海微生物介導(dǎo)的元素循環(huán)與特殊能量代謝之間的耦合關(guān)系提供了新思路。值得一提的是,“科學(xué)”號科考船在整個(gè)研究過程中,無論是樣品采集還是深海原位實(shí)驗(yàn)都發(fā)揮了不可替代的作用,彰顯了大科學(xué)裝置在深海研究中的重要性。

深海硫氧化細(xì)菌Erythrobacter flavus 21-3光硫耦合通路模式圖
中科院海洋所博士研究生蔡瑞寧為第一作者,研究員孫超岷為通訊作者。研究得到基金委創(chuàng)新群體、基金委重大計(jì)劃、山東省“十四五”重大項(xiàng)目等聯(lián)合資助,同時(shí)也得到了中科院海洋研究所研究員張鑫及中科院南海海洋研究所研究員高貝樂團(tuán)隊(duì)的大力支持。
相關(guān)論文:Ruining Cai, Wanying He, Jing Zhang, Rui Liu, Ziyu Yin, Xin Zhang, Chaomin Sun*. Blue light promotes zero-valent sulfur production in a deep-sea bacterium. The EMBO Journal, 2023,e112514. DOI: 10.15252/embj.2022112514.
論文鏈接:https://www.embopress.org/doi/full/10.15252/embj.2022112514
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