近日,國(guó)際分子生物學(xué)期刊The EMBO Journal(Nature index)刊發(fā)了題為“Blue light promotes zero-valent sulfur production in a deep-sea bacterium”的論文,報(bào)道了中科院海洋所孫超岷課題組在深海硫氧化細(xì)菌硫代謝和光能利用耦合機(jī)制方面的最新研究成果,為認(rèn)知和評(píng)估微生物對(duì)深海硫元素循環(huán)的驅(qū)動(dòng)作用和貢獻(xiàn)提供了新角度,也為解釋我國(guó)南海冷泉噴口廣泛分布硫單質(zhì)的成因提供了新思路。
在深海生命形式中,微生物類(lèi)型最為多樣,對(duì)元素生物地球化學(xué)循環(huán)發(fā)揮關(guān)鍵的驅(qū)動(dòng)作用。在眾多元素中,硫元素參與了許多重要生命活動(dòng),與多個(gè)元素循環(huán)通路相耦聯(lián),其生物地球化學(xué)循環(huán)過(guò)程一直是了解深海物質(zhì)能量循環(huán)的關(guān)注點(diǎn)。單質(zhì)硫作為硫元素循環(huán)過(guò)程的重要中間代謝產(chǎn)物,可為微生物暫時(shí)儲(chǔ)存能量。在前期科考調(diào)查中,海洋所張?chǎng)螆F(tuán)隊(duì)基于拉曼光譜觀測(cè)到我國(guó)南海冷泉環(huán)境中單質(zhì)硫含量豐富,但是形成原因不清晰。孫超岷課題組發(fā)現(xiàn)一株冷泉細(xì)菌Erythrobacter flavus 21-3能基于一條新型硫氧化途徑將硫代硫酸鈉轉(zhuǎn)化成單質(zhì)硫,該硫氧化途徑在很多深海微生物中都存在(ISME J, 2020),在深海原位被證實(shí)也能真實(shí)發(fā)生(mBio, 2022),對(duì)深海硫元素循環(huán)有重要貢獻(xiàn)。
一次偶然機(jī)會(huì),研究人員發(fā)現(xiàn)藍(lán)光可以顯著提升該菌株產(chǎn)生單質(zhì)硫的效率,這促使他們開(kāi)展了更深入的探索性工作,并最終證實(shí)了一條藍(lán)光促進(jìn)深海硫氧化細(xì)菌形成單質(zhì)硫的新通路。在該通路中,LOV組氨酸激酶LOV-1477是E. flavus 21-3光硫耦合通路中的重要藍(lán)光感受器;LOV組氨酸激酶LOV-1477接收到外界藍(lán)光刺激后,進(jìn)一步激活二鳥(niǎo)苷酸環(huán)化酶DGC-2902,使其釋放c-di-GMP調(diào)控下游通路;c-di-GMP進(jìn)一步與含PilZ蛋白結(jié)構(gòu)域的mPilZ-1753結(jié)合,增強(qiáng)其與硫代硫酸鹽脫氫酶TsdA的相互作用,而后引起硫代硫酸鹽代謝能力的增強(qiáng),最終導(dǎo)致單質(zhì)硫的產(chǎn)量增加。該團(tuán)隊(duì)還發(fā)現(xiàn),在該菌株的光硫耦合通路中,硫代硫酸鹽在TsdA的作用下轉(zhuǎn)化為連四硫酸鹽后,兩個(gè)功能相同、可互為替代的硫氧化蛋白SoxB(SoxB-277和SoxB-285)能進(jìn)一步將連四硫酸鹽水解,驅(qū)動(dòng)單質(zhì)硫的生成。
作為一株來(lái)自深海冷泉的非光合細(xì)菌,E. flavus 21-3的單質(zhì)硫產(chǎn)生為何會(huì)對(duì)光作出響應(yīng)?要回答這個(gè)問(wèn)題,首先需要明確深海是否有光以及深海微生物是否有利用光的能力。深海被認(rèn)為是一個(gè)黑暗的、由化學(xué)能支撐維系的生態(tài)系統(tǒng),但越來(lái)越多的證據(jù)表明深海存在不同形式的地質(zhì)光(如熱液區(qū)的熱輻射光)或生物發(fā)光。相應(yīng)地,孫超岷團(tuán)隊(duì)近年來(lái)陸續(xù)發(fā)現(xiàn)多種深海微生物能感知或利用光能。比如,熱液非光合細(xì)菌正黃胞球菌可以通過(guò)光敏色素感知紅外光(Environmental Microbiology, 2021);熱液非光合細(xì)菌海源桿菌能借助形成的硫化鎘納米顆粒利用光能(Environmental Microbiology, 2021);冷泉非光合細(xì)菌海綿桿菌能感知藍(lán)光(mSystems, 2022);冷泉綠彎菌新分支在實(shí)驗(yàn)室和深海原位環(huán)境均能進(jìn)行光合作用(mBio, 2022)。上述這些成果充分證實(shí)了“深海有光且深海微生物具有利用光的能力”。那么,深海硫氧化細(xì)菌E. flavus 21-3的光響應(yīng)能力會(huì)為它的生存帶來(lái)哪些優(yōu)勢(shì)呢?
研究人員推測(cè),由于單質(zhì)硫可以用來(lái)儲(chǔ)存能量,光硫耦合通路的存在會(huì)讓E. flavus 21-3在藍(lán)光出現(xiàn)時(shí)合成更多的單質(zhì)硫,用于支持后期的生長(zhǎng)代謝。該研究揭示了一種此前鮮有關(guān)注的深海微生物中光響應(yīng)及硫代謝之間的耦聯(lián),對(duì)于后續(xù)探索深海微生物介導(dǎo)的元素循環(huán)與特殊能量代謝之間的耦合關(guān)系提供了新思路。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實(shí)驗(yàn)都發(fā)揮了不可替代的作用,彰顯了大科學(xué)裝置在深海研究中的重要性。

深海硫氧化細(xì)菌Erythrobacter flavus 21-3光硫耦合通路模式圖
中科院海洋所博士研究生蔡瑞寧為第一作者,研究員孫超岷為通訊作者。研究得到基金委創(chuàng)新群體、基金委重大計(jì)劃、山東省“十四五”重大項(xiàng)目等聯(lián)合資助,同時(shí)也得到了中科院海洋研究所研究員張?chǎng)渭爸锌圃耗虾:Q笱芯克芯繂T高貝樂(lè)團(tuán)隊(duì)的大力支持。
相關(guān)論文:Ruining Cai, Wanying He, Jing Zhang, Rui Liu, Ziyu Yin, Xin Zhang, Chaomin Sun*. Blue light promotes zero-valent sulfur production in a deep-sea bacterium. The EMBO Journal, 2023,e112514. DOI: 10.15252/embj.2022112514.
論文鏈接:https://www.embopress.org/doi/full/10.15252/embj.2022112514
(文章來(lái)源于海洋所官網(wǎng),“科學(xué)”號(hào)信息員封婧編輯提供)