深海冷泉擬桿菌可促進(jìn)深海營養(yǎng)和碳循環(huán) 降解藻類多糖機(jī)制是什么?

到目前為止，擬桿菌降解不同多糖的機(jī)制已經(jīng)在人類腸道中進(jìn)行了研究，包括木葡聚糖和木聚糖的降解。孫超岷說，另外有一項研究表明，人類腸道細(xì)菌可以從海洋細(xì)菌中獲得編碼碳水化合物酶的基因，這可能是人類腸道微生物碳水化合物酶多樣性的一個原因。

“擬桿菌門是繼變形菌門和藍(lán)細(xì)菌門之后最豐富的海洋細(xì)菌群，是藻類衍生碳水化合物最重要的分解者，積極驅(qū)動海洋碳和營養(yǎng)循環(huán)海。然而關(guān)于深海擬桿菌降解多糖的報道卻幾乎沒有，主要是因為深海擬桿菌的純培養(yǎng)物很少，因此我們需要獲得深海擬桿菌的純培養(yǎng)物來進(jìn)一步研究它們在深海碳元素的生物地球化學(xué)循環(huán)中所起的作用。”孫超岷說。

深海冷泉中富含硫化氫、甲烷、其他碳?xì)浠衔锖秃懈鞣N多糖的動物殘骸，在這些極端條件的驅(qū)動下，冷泉環(huán)境中形成了一個獨特的微生物群落，其中包含多種多樣的古菌和細(xì)菌。

“因此，研究深海冷泉中擬桿菌降解多糖的機(jī)制具有重要意義。” 孫超岷告訴記者，在本研究中，他們團(tuán)隊首先通過擴(kuò)增子測序分析了深海冷泉中擬桿菌的豐度，發(fā)現(xiàn)與其他環(huán)境類似，擬桿菌是深海表層沉積物的主要類群。擬桿菌門中的細(xì)菌編碼碳水化合物酶的基因數(shù)量明顯高于變形菌門和綠彎菌門中的細(xì)菌，表明擬桿菌門是碳水化合物降解甚至深海冷泉環(huán)境中碳循環(huán)的主要參與者。許多擬桿菌已經(jīng)從普通環(huán)境中分離出來，然而很少有從深海環(huán)境中獲得的純培養(yǎng)物。

“于是，我們開發(fā)了一種有效的分離策略來從深海環(huán)境中富集和分離培養(yǎng)擬桿菌，我們將深海沉積物樣品接種到添加各種多糖的基礎(chǔ)培養(yǎng)基中并在28 ℃恒溫培養(yǎng)箱中厭氧富集一個月，然后將富集的樣品轉(zhuǎn)接到含有固體培養(yǎng)基的厭氧管中，挑選并培養(yǎng)具有不同形態(tài)的單個菌落。” 孫超岷說，不出所料，大多數(shù)培養(yǎng)的菌落被鑒定為擬桿菌，其中菌株WC007被鑒定為一個新物種，命名為Maribelluscomscasis WC007，這種策略在將來可能有助于從其他環(huán)境中更容易分離擬桿菌。為了深入了解菌株WC007降解多糖的能力和機(jī)制，對菌株WC007基因組進(jìn)行了PULs的預(yù)測和注釋，發(fā)現(xiàn)基因組中存在大量多糖降解利用位點，主要是負(fù)責(zé)降解纖維素、果膠、巖藻聚糖、甘露聚糖、木聚糖和淀粉等多糖。其中菌株WC007對纖維素的降解效果最為明顯，之后利用基因組學(xué)、轉(zhuǎn)錄組學(xué)和代謝組學(xué)深入研究了菌株WC007對纖維素的降解和利用機(jī)制。

“海藻多糖是一種重要的細(xì)菌營養(yǎng)源和海洋食物網(wǎng)的主要成分，也是海洋表面和深海碳循環(huán)的關(guān)鍵因素。”孫超岷說，鑒于海藻多糖在海洋碳循環(huán)中的重要性，他們團(tuán)隊推測容易降解的多糖被海洋表面的需氧微生物利用，然后這些難降解的多糖聚集形成顆粒碎屑，隨后會從透光表面向深海沉積物中沉降。一旦碳水化合物衍生的顆粒到達(dá)深海底部，像菌株WC007這樣的高效多糖降解菌會首先通過外膜轉(zhuǎn)運蛋白識別胞外多糖或寡糖，然后通過位于細(xì)胞質(zhì)膜上的特定蛋白復(fù)合物提供能量，將這些降解物(如寡糖)吸收到周質(zhì)中。然后，激活并釋放碳水化合物酶，將寡糖切割成單糖和二糖，之后將其運輸?shù)郊?xì)胞質(zhì)中進(jìn)行代謝和產(chǎn)生能量，以促進(jìn)細(xì)菌生長。同時，一些裂解產(chǎn)物可以供其他細(xì)菌吸收利用，這可以極大地促進(jìn)深層生物圈中的碳和營養(yǎng)元素循環(huán)。

“總之，我們對菌株WC007降解多糖的深入研究有助于理解擬桿菌對深海碳和營養(yǎng)元素的生物地球化學(xué)循環(huán)的貢獻(xiàn)。” 孫超岷說。

除了降解藻類多糖，深海冷泉擬桿菌如何在促進(jìn)深海營養(yǎng)循環(huán)中發(fā)揮作用?

研究認(rèn)為，微生物可以通過固定或者釋放CO、CO2、CH4以及對各種有機(jī)碳的降解與轉(zhuǎn)化作用, 從而直接控制全球碳源的轉(zhuǎn)換和碳形態(tài)的轉(zhuǎn)化,進(jìn)而影響氮、硫、磷等其他元素的生物地球化學(xué)循環(huán)。孫超岷介紹，微生物驅(qū)動的深海碳循環(huán)是各元素生物地球化學(xué)循環(huán)的核心部分，主要包括碳固定、碳降解、甲烷循環(huán)及其他碳循環(huán)途徑等，其中有機(jī)碳的降解是促進(jìn)全球碳循環(huán)的重要途徑。

相應(yīng)地，孫超岷課題組還發(fā)現(xiàn)纖維素不僅可以促進(jìn)擬桿菌的糖類和氨基酸代謝，還可以促進(jìn)其尿素循環(huán)和甲烷代謝。孫超岷說，因此，多糖可能是深海沉積物中多糖降解細(xì)菌的主要營養(yǎng)來源，這些異養(yǎng)微生物降解多糖是深海碳循環(huán)的一個關(guān)鍵過程。

眾所周知，滸苔是一類綠藻，而滸苔綠潮在我國黃海已連續(xù)暴發(fā)多年，成為嚴(yán)重海洋生態(tài)災(zāi)害。

從2008年6月中旬開始，大量滸苔從黃海中部海域漂移至青島附近海域，而今年滸苔的爆發(fā)量更是達(dá)到了近年來的一個新頂點。孫超岷告訴記者，考慮到滸苔是一類飄浮型藻類以及海洋的開放性環(huán)境，要想采用諸如除草劑之類的藥物防治滸苔難度極大。

“除了從根本上改善水質(zhì)，從源頭上減少滸苔的生物量，還要積極發(fā)展?jié)G苔的高值化利用。鑒于滸苔含有大量的碳水化合物，我們將嘗試用分離到的擬桿菌去降解滸苔多糖，以期產(chǎn)生有抗菌、抗腫瘤等特殊生物學(xué)功能的寡糖衍生物，并開發(fā)相應(yīng)的多糖降解工具酶，從而將滸苔變廢為寶。”孫超岷說。(科技日報記者 王健高 通訊員 王敏)