海洋所揭示多聚磷酸鹽調(diào)控深海產(chǎn)甲烷古菌生長(zhǎng)和產(chǎn)甲烷新機(jī)制
近日,國(guó)際綜合性期刊《美國(guó)國(guó)家科學(xué)院院刊》(PNAS)刊發(fā)了由中國(guó)科學(xué)院海洋研究所海洋微生物生命過(guò)程及應(yīng)用潛力研究組主導(dǎo)、中國(guó)科學(xué)院微生物研究所聯(lián)合攻關(guān)的研究成果,系統(tǒng)揭示了深海產(chǎn)甲烷古菌中多聚磷酸鹽(polyP)代謝與生長(zhǎng)及產(chǎn)甲烷過(guò)程之間的耦合機(jī)制,為理解深海厭氧微生物在寡營(yíng)養(yǎng)環(huán)境中的磷元素獲取與能量代謝策略提供了全新視角,也為進(jìn)一步認(rèn)識(shí)深海冷泉生態(tài)系統(tǒng)中碳循環(huán)與磷循環(huán)的耦合關(guān)系奠定了重要基礎(chǔ)。
在深海生命體系中,產(chǎn)甲烷古菌是驅(qū)動(dòng)全球甲烷循環(huán)的重要力量,尤其在甲烷通量顯著的冷泉生態(tài)系統(tǒng)中扮演關(guān)鍵角色。磷作為生命必需的元素,常以無(wú)機(jī)磷酸鹽形式被微生物利用,但在深海環(huán)境中,無(wú)機(jī)磷極為稀缺。相比之下,有機(jī)磷在深海沉積物中含量豐富。然而,產(chǎn)甲烷古菌如何在磷限制條件下維持生長(zhǎng)與代謝,長(zhǎng)期以來(lái)缺乏系統(tǒng)認(rèn)知。多聚磷酸鹽作為一種廣泛存在于細(xì)菌和真核生物中的磷/能量?jī)?chǔ)存分子,其在古菌尤其是產(chǎn)甲烷古菌中的生理功能幾乎未知。
研究團(tuán)隊(duì)從南海冷泉和海山沉積物中成功分離出8株深海產(chǎn)甲烷古菌(隸屬于Methanobolus屬)。透射電鏡觀察發(fā)現(xiàn),這些菌株胞內(nèi)普遍存在高電子密度的顆粒,經(jīng)能譜、DAPI染色及核磁共振等多種手段鑒定為多聚磷酸鹽顆粒。其中一株代表性菌株ZRKC1生長(zhǎng)快、產(chǎn)甲烷效率高,被選為后續(xù)研究模型。研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)功能基因組學(xué)、生物化學(xué)、多組學(xué)及分子遺傳學(xué)分析,首次明確了該菌株中多聚磷酸鹽代謝的關(guān)鍵酶系:PPK1負(fù)責(zé)多聚磷酸鹽合成,而PPK2主要發(fā)揮水解功能。敲除ppk1基因后,菌株完全喪失多聚磷酸鹽積累能力,生長(zhǎng)速率和甲烷產(chǎn)量顯著下降,表明多聚磷酸鹽不僅是磷的儲(chǔ)存庫(kù),更是連接環(huán)境磷供給與細(xì)胞核心代謝的重要樞紐。
進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn),在無(wú)機(jī)磷缺乏的條件下,ZRKC1能夠利用淀粉、殼聚糖等復(fù)雜有機(jī)磷源,并通過(guò)上調(diào)兩個(gè)磷酸酯酶(V7059_RS02375和V7059_RS09360)釋放生物可利用的無(wú)機(jī)磷,進(jìn)而通過(guò)PPK1合成為多聚磷酸鹽,支持生長(zhǎng)和產(chǎn)甲烷。轉(zhuǎn)錄組分析顯示,該過(guò)程伴隨磷酸特異性轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)(Pst系統(tǒng))和ppk1的顯著上調(diào),而ppk2則被抑制。磷酸酯酶抑制劑實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步證實(shí)了該通路的功能必要性。尤為重要的是,研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)深海原位培養(yǎng)裝置,在南海冷泉原位環(huán)境下對(duì)ZRKC1進(jìn)行了轉(zhuǎn)錄組分析,發(fā)現(xiàn)磷酸獲取、多聚磷酸鹽合成及產(chǎn)甲烷相關(guān)基因在原位同樣顯著上調(diào),提示該代謝策略在自然環(huán)境中具有生物學(xué)相關(guān)性。

圖1?深海產(chǎn)甲烷古菌的分離培養(yǎng)及形態(tài)觀察

圖2?多角度證實(shí)深海產(chǎn)甲烷古菌形成多聚磷酸鹽

圖3?分子遺傳學(xué)手段確定深海產(chǎn)甲烷古菌形成多聚磷酸鹽的關(guān)鍵基因

圖4?深海產(chǎn)甲烷古菌驅(qū)動(dòng)的碳磷元素循環(huán)耦合模式圖
本研究揭示了深海產(chǎn)甲烷古菌通過(guò)多聚磷酸鹽代謝實(shí)現(xiàn)磷元素高效利用和能量?jī)?chǔ)存的適應(yīng)機(jī)制,拓展了我們對(duì)古菌磷代謝多樣性的認(rèn)知,也為理解深海冷泉生態(tài)系統(tǒng)中磷循環(huán)與甲烷循環(huán)的耦合提供了新的分子證據(jù)。該成果進(jìn)一步印證了“深海并非代謝孤島”的觀點(diǎn),凸顯了深海微生物在元素生物地球化學(xué)循環(huán)中的主動(dòng)調(diào)控角色。值得一提的是,“科學(xué)”號(hào)科考船在整個(gè)研究過(guò)程中,無(wú)論是樣品采集還是深海原位環(huán)境參數(shù)測(cè)定,乃至深海原位實(shí)驗(yàn)方面都發(fā)揮了不可替代的作用,也彰顯了大科學(xué)裝置在深海科學(xué)研究中的重要性。
中國(guó)科學(xué)院海洋研究所副研究員鄭日寬和王崇為共同第一作者,孫超岷研究員及中國(guó)科學(xué)院微生物研究所的李潔研究員為共同通訊作者。研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)重點(diǎn)項(xiàng)目、國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)創(chuàng)新研究群體項(xiàng)目及科學(xué)技術(shù)部國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃等項(xiàng)目的資助。
論文信息:
Rikuan Zheng#, Chong Wang#, Yuxin Zheng, Lei Cao, Kaitao Liu, Jie Li*, Chaomin?Sun*. Polyphosphate affects the growth and methanogenesis of deep-sea methanogenic archaea. PNAS, 2026, 123(23):e2608127123. doi: 10.1073/pnas.2608127123.
https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2608127123
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