海洋所揭示深海難培養(yǎng)微生物浮霉菌門細(xì)菌獨(dú)特的分裂方式和氮代謝機(jī)制
近日,國際生物學(xué)期刊eLife刊發(fā)了題為“Physiological and metabolic insights into the first cultured anaerobic representative of deep-sea Planctomycetes bacteria”的文章,報(bào)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-浮霉菌門(Planctomycetes)細(xì)菌獨(dú)特的分裂方式和氮代謝特征的研究成果。該成果首次發(fā)現(xiàn)浮霉菌門的藻球菌綱細(xì)菌以類似出芽生殖的方式進(jìn)行分裂,并且胞內(nèi)存在類似高爾基體、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)、囊泡等真核生物的細(xì)胞結(jié)構(gòu)。此外,深海浮霉?fàn)罹梢栽诼允删w的輔助下,有效地代謝利用硝酸根離子和銨根離子,為了解深海微生物與病毒的互作關(guān)系提供了新的見解。
浮霉菌門細(xì)菌的細(xì)胞具有復(fù)雜的胞內(nèi)膜結(jié)構(gòu),有些浮霉?fàn)罹娜旧|(zhì)被膜包圍且緊縮,類似真核生物的細(xì)胞核;除此之外,也有一些其它的類似真核生物細(xì)胞器的結(jié)構(gòu),像“粗面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)”、厭氧氨氧化體等,這在原核生物中是僅有的。浮霉菌門細(xì)菌廣泛分布在地球上的各種生態(tài)系統(tǒng)中,尤其在深海多個(gè)生境(冷泉、熱液、深淵、海山等)中的豐度都非常高,但很難被純培養(yǎng),尤其是厭氧菌株。孫超岷課題組利用新穎的富集分離策略從深海冷泉沉積物中分離獲得了一株浮霉菌新種,并命名為Poriferisphaera heterotrophicis ZRK32,這是第一株獲得純培養(yǎng)的深海厭氧浮霉菌。結(jié)合生長試驗(yàn)和轉(zhuǎn)錄組學(xué)分析,研究人員發(fā)現(xiàn)N-乙酰氨基葡萄糖不會促進(jìn)浮霉菌ZRK32菌株的生長,反而豐富的有機(jī)營養(yǎng)物可以有效促進(jìn)它生長,這與之前所報(bào)道的好氧浮霉菌喜好N-乙酰氨基葡萄糖或寡營養(yǎng)的代謝特征有很大差異。值得一提的是,這株浮霉?fàn)罹且灶愃朴诔鲅可车莫?dú)特方式進(jìn)行分裂,胞內(nèi)還有類似高爾基體、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)、囊泡等真核生物的細(xì)胞器結(jié)構(gòu),為進(jìn)一步研究其在原核生物向真核生物過渡中的進(jìn)化機(jī)制提供了良好材料。
此外,研究人員還發(fā)現(xiàn)硝酸鹽可以通過轉(zhuǎn)化為氨進(jìn)而生成谷氨酸進(jìn)入三羧酸循環(huán)過程產(chǎn)生能量,最終促進(jìn)浮霉菌的生長,而亞硝酸鹽能抑制浮霉菌的生長。也就是說,硝酸鹽或氨鹽都是促進(jìn)浮霉菌生長的必要因子,而亞硝酸鹽則是浮霉菌生長的抑制因子。值得注意的是,在研究浮霉菌代謝含氮無機(jī)物的過程中,研究人員意外發(fā)現(xiàn)硝酸鹽和銨可以誘導(dǎo)浮霉菌產(chǎn)生一種慢性噬菌體。這類噬菌體通過不裂解宿主細(xì)胞的方式復(fù)制,與宿主形成共生關(guān)系,而且這些噬菌體還可以通過自身編碼輔助代謝基因(AMGs)參與浮霉?fàn)罹h(huán)過程并生成谷氨酸。這與孫超岷團(tuán)隊(duì)之前的研究發(fā)現(xiàn)相一致:即慢性噬菌體可以輔助深海軟壁菌代謝利用核酸獲得能量(mBio, 2023)。這些研究結(jié)果表明在深海極端環(huán)境下噬菌體和宿主之間不僅僅只有敵對關(guān)系,還存在互惠共生關(guān)系,也揭示出深海難培養(yǎng)微生物仍存在著很多未知的獨(dú)特生命過程。
中國科學(xué)院海洋研究所為論文第一完成單位,實(shí)驗(yàn)海洋生物學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室鄭日寬副研究員為第一作者,孫超岷研究員為通訊作者。研究得到了基金委重大研究計(jì)劃集成項(xiàng)目、基金委創(chuàng)新群體項(xiàng)目、山東省“十四五”重點(diǎn)項(xiàng)目及中國科學(xué)院戰(zhàn)略先導(dǎo)專項(xiàng)等項(xiàng)目聯(lián)合資助。
相關(guān)論文:
Rikuan Zheng, Chong Wang, Rui Liu, Ruining Cai, Chaomin Sun*. Physiological and metabolic insights into the first cultured anaerobic representative of deep-sea Planctomycetes bacteria. eLife, 2024, 12:RP89874. Doi:10.7554/eLife.89874.
論文鏈接:https://doi.org/10.7554/eLife.89874

圖1?深海浮霉菌Poriferisphaera heterotrophicis ZRK32胞內(nèi)特殊結(jié)構(gòu)

圖2?深海浮霉菌Poriferisphaera heterotrophicis ZRK32獨(dú)特的出芽分裂方式

圖3?慢性噬菌體輔助深海浮霉菌Poriferisphaera heterotrophicis ZRK32代謝硝酸鹽和銨鹽
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