深海冷泉擬桿菌可促進深海營養和碳循環 降解藻類多糖機制是什么?

7月初，《環境微生物》報道了中國科學院海洋研究所研究員孫超岷課題組關于深海冷泉擬桿菌可通過降解藻類多糖促進深海營養和碳循環的最新研究成果，為進一步了解深海微生物介導的物質能量代謝和碳元素生物地球循環研究提供了研究范例。

纖維素、果膠、褐藻多糖等海藻多糖是一類重要的細菌營養源，也是海洋食物網的主要成分，是驅動海洋表面和有機碳等深海物質能量循環的重要因素。擬桿菌被認為是藻類多糖的主要降解者，在海洋碳元素生物地球化學循環過程中扮演著重要角色。

然而，由于采樣困難和純培養菌株的缺乏，人們對深海擬桿菌降解多糖及其參與碳元素循環的機制等問題知之甚少。這其中包括深海的物質能量代謝和碳循環是怎樣的機制，深海微生物是如何在物質能量代謝和碳元素生物地球循環中發生作用的?該菌株降解藻類多糖的機制是什么?深海冷泉擬桿菌除了降解藻類多糖，如何在促進深海營養循環中發揮作用?孫超岷課題組此次對深海冷泉擬桿菌的研究是通過怎樣的形式進行的?等等熱點問題。7月12日，帶著這些疑問，科技日報記者采訪了孫超岷課題組。

深海的物質能量代謝和碳循環是怎樣的機制，深海微生物是如何在物質能量代謝和碳元素生物地球循環中發生作用的?

微生物介導是深海冷泉形成單質硫的新途徑。這是孫超岷課題組關于深海冷泉環境細菌氧化硫代硫酸鈉形成單質硫新型途徑的研究成果。孫超岷告訴記者，去年，國際生物學權威期刊ISME J報道了這項成果，為解釋我國南海冷泉噴口廣泛分布硫單質的成因提供了重要理論依據。

“全球初級生物質凈產量的大約一半來自海洋，主要是由小型海洋浮游植物貢獻的。”孫超岷說，海洋浮游植物只占全球植物生物量的1%，但卻完成了全球一半的光合作用(CO2的固定以及O2的產生)。

孫超岷課題組研究認為，二氧化碳進入海水體系后，浮游植物通過光合作用，吸收海水中的二氧化碳進而生長繁殖，將其由無機碳轉化為生物體內的有機碳，作為初級生物質，復合碳水化合物是陸地和海洋生態系統中微生物的普遍能量來源，它們大多以多糖的形式存在。

其中，海藻中多糖含量非常高，將近50%的成分都是多糖，多糖是細胞壁和細胞內能量儲存化合物的結構成分，是深海碳循環的重要組成部分。大量含有各種多糖的藻類植物和動物殘骸從上層海洋沉降下來直至深海底部。孫超岷解釋說，在沉積過程中，部分顆粒有機碳經上層微生物的分解又轉化為水中的有機碳，進入海洋再循環，大部分則被沉積埋藏在深海里，為深海沉積物中的多糖降解微生物提供了重要的有機碳源。

“這些沉積在海洋深層地下的復雜多糖大多是難以降解的多糖，例如果膠、纖維素和包括巖藻聚糖、甘露聚糖、木聚糖、葡聚糖、阿拉伯半乳聚糖等半纖維素。” 孫超岷說，因此，微生物介導的多糖降解是海洋碳循環中的一個重要過程。

此次對深海冷泉擬桿菌的研究是通過怎樣的形式進行的?該菌株降解藻類多糖的機制是什么?

孫超岷告訴記者，關于多糖降解一直以來都受到人們的廣泛關注，其中有一類微生物(擬桿菌)被認為是多糖的主要降解者，它們廣泛地分布于人類腸道、近岸海域、海洋沉積物和其它環境中，在高分子量碳水化合物的降解中發揮著關鍵作用。

據報道，擬桿菌門的很多成員具有較強的多糖降解能力，推測可能是因為在擬桿菌中存在一種獨特的多糖降解機制，即在它們的基因組中含有大量的多糖利用位點(PULs，polysaccharide utilization loci)。

“在大部分擬桿菌門的基因組中，碳水化合物降解酶排列在PULs的基因簇中。第一個含有淀粉利用系統(Sus)的PUL是在人類腸道細菌Bacteroidesthetaiotaomicron中發現的，而且Sus操縱子被認為是多糖降解所必需的。”孫超岷說，在這個操縱子中，蛋白因子SusC和SusD的同源物(SusC：轉運蛋白;SusD：碳水化合物結合蛋白)是必不可少的，被認為是PUL的標志物。PULs中含有許多編碼碳水化合物酶的基因，這些酶可分為糖苷水解酶、糖苷轉移酶、碳水化合物結合模塊、碳水化合物酯酶、多糖裂解酶、硫酸酯酶(主要針對硫酸化多糖)和其它各種輔助酶。

除了底物特異性碳水化合物酶的基因，這些PULs還包含一個編碼表面多糖結合蛋白和一個轉運蛋白的串聯基因。孫超岷認為，在它們共同作用下，多糖最初結合到外膜蛋白上，并被胞外碳水化合物酶切割成寡糖，然后寡糖通過外膜轉運蛋白從外膜轉運到周質中。在周質中，寡糖受到保護，免受其他細菌的利用，并進一步降解為單糖，然后由特異的轉運蛋白運輸并穿過細胞質膜進入細胞質被利用。因此，PULs中基因組成的特征為擬桿菌降解不同類型的多糖提供了線索。