海洋所揭示深海難培養(yǎng)微生物軟壁菌代謝核酸和耐壓新機制
近日,國際生物學(xué)期刊mBio報道了中國科學(xué)院海洋研究所孫超岷課題組關(guān)于深海難培養(yǎng)微生物-軟壁菌門(Tenericutes)細(xì)菌代謝核酸和耐壓新機制的研究成果。該成果首次發(fā)現(xiàn)軟壁菌和噬菌體(病毒)形成共生關(guān)系,并借助噬菌體的協(xié)助降解和利用核酸獲得能量,為了解深海軟壁菌的特殊能量代謝機制及其與病毒的互作關(guān)系提供了新的見解。
軟壁菌門細(xì)菌無細(xì)胞壁,在深海多個生境(冷泉、熱液、深淵、海山等)都有分布。研究表明,軟壁菌由厚壁菌門細(xì)菌退化細(xì)胞壁而形成,基因組長度遠(yuǎn)小于厚壁菌門及其它細(xì)菌,生命過程獨特,是一類典型的難培養(yǎng)微生物。孫超岷課題組于2021年獲得了首株深海軟壁菌門細(xì)菌純培養(yǎng),以《山海經(jīng)》中一種非魚非豬的神獸——Xian父魚對其進行了命名(即Xianfuyuplasma),并發(fā)現(xiàn)該菌通過降解DNA參與能量合成的獨特生命過程(ISME J, 2021)。 隨后,研究人員又獲得了一株新的軟壁菌純培養(yǎng)菌株,并以《山海經(jīng)》中一種魚身蛇尾形的神獸——虎蛟命名(即Hujiaoplasma),該菌株是軟壁菌中一個新科的首個純培養(yǎng)代表菌株。
進一步結(jié)合實驗室和深海原位實驗(由“科學(xué)”號主導(dǎo)完成)研究結(jié)果,科研人員發(fā)現(xiàn)Hujiaoplasma菌株能有效降解DNA和RNA,并從中獲取支撐生長所需的能量。尤其令人吃驚的是,Hujiaoplasma菌株與一類病毒形成了共生關(guān)系,該病毒編碼了多個核酸外切酶、內(nèi)脫氧核糖核酸酶和核酸水解酶,進而協(xié)助其宿主Hujiaoplasma菌株降解DNA和RNA??蒲腥藛T又提取了該病毒在 另一株海洋細(xì)菌中驗證了其輔助宿主代謝核酸的能力,進一步證實了此類病毒與宿主的互惠共生關(guān)系。Hujiaoplasma菌株基因組大小僅有1.8 Mb,缺乏用于三羧酸循環(huán)及其它常見能量代謝通路的基因。因此,通過與病毒形成共生關(guān)系并利用病毒的輔助代謝功能降解利用核酸獲得能量,可以有效解決基因組退化引發(fā)的能量代謝通路匱乏的難題;而病毒為從宿主中獲得復(fù)制生長的原料和環(huán)境,其成熟后釋放到宿主胞外過程不裂解宿主細(xì)胞,是一種典型的互惠共生關(guān)系,極有可能代表了軟壁菌中一種未被發(fā)現(xiàn)的獨特生命過程。

Hujiaoplasma菌株降解及利用DNA和RNA通路圖

此外,考慮到深海高靜水壓的特點,科研人員又通過模擬深海高壓環(huán)境培養(yǎng)Hujiaoplasma菌株的手段,研究了該菌株的耐壓機制。研究結(jié)果發(fā)現(xiàn),該菌株通過兩種策略應(yīng)對深海高壓環(huán)境,即通過向細(xì)胞內(nèi)輸送陽離子,增加細(xì)胞內(nèi)滲透壓,應(yīng)對細(xì)胞外高靜水壓;通過調(diào)節(jié)細(xì)胞膜磷脂中的不飽和脂肪酸鏈含量,增加細(xì)胞膜流動性,應(yīng)對高壓對細(xì)胞結(jié)構(gòu)造成的脅迫。研究還發(fā)現(xiàn)Hujiaoplasma菌株有完善的CRISPR系統(tǒng),以應(yīng)對深海中各種病毒的侵染,可能蘊含著新型的病毒防御機制;該菌株培養(yǎng)液中高活力的核酸降解酶對銅綠假單胞菌生物膜的形成有良好的抑制能力,有望用于研發(fā)新型深??垢g材料。
中國科學(xué)院實驗海洋生物學(xué)重點實驗室鄭日寬博士為第一作者,孫超岷研究員為通訊作者。研究得到了國家基金委重大研究計劃、創(chuàng)新群體及山東省“十四五”重大項目聯(lián)合資助。
相關(guān)論文:
Rikuan Zheng, Chong Wang, Ruining Cai, Yeqi Shan, Chaomin Sun*. Mechanisms of nucleic acid degradation and high hydrostatic pressure tolerance of a novel deep-sea wall-less bacterium. mBio, 2023, Doi: 10.1128/mbio. 00958-23.
論文鏈接:https://journals.asm.org/doi/10.1128/mbio.00958-23
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