7月初，《環(huán)境微生物》報(bào)道了中國科學(xué)院海洋研究所研究員孫超岷課題組關(guān)于深海冷泉擬桿菌可通過降解藻類多糖促進(jìn)深海營養(yǎng)和碳循環(huán)的最新研究成果，為進(jìn)一步了解深海微生物介導(dǎo)的物質(zhì)能量代謝和碳元素生物地球循環(huán)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(xì)菌營養(yǎng)源，也是海洋食物網(wǎng)的主要成分，是驅(qū)動(dòng)海洋表面和有機(jī)碳等深海物質(zhì)能量循環(huán)的重要因素。擬桿菌被認(rèn)為是藻類多糖的主要降解者，在海洋碳元素生物地球化學(xué)循環(huán)過程中扮演著重要角色。

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

深海的物質(zhì)能量代謝和碳循環(huán)是怎樣的機(jī)制，深海微生物是如何在物質(zhì)能量代謝和碳元素生物地球循環(huán)中發(fā)生作用的?

微生物介導(dǎo)是深海冷泉形成單質(zhì)硫的新途徑。這是孫超岷課題組關(guān)于深海冷泉環(huán)境細(xì)菌氧化硫代硫酸鈉形成單質(zhì)硫新型途徑的研究成果。孫超岷告訴記者，去年，國際生物學(xué)權(quán)威期刊ISME J報(bào)道了這項(xiàng)成果，為解釋我國南海冷泉噴口廣泛分布硫單質(zhì)的成因提供了重要理論依據(jù)。

“全球初級(jí)生物質(zhì)凈產(chǎn)量的大約一半來自海洋，主要是由小型海洋浮游植物貢獻(xiàn)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(chǎn)生)。

孫超岷課題組研究認(rèn)為，二氧化碳進(jìn)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(jìn)而生長繁殖，將其由無機(jī)碳轉(zhuǎn)化為生物體內(nèi)的有機(jī)碳，作為初級(jí)生物質(zhì)，復(fù)合碳水化合物是陸地和海洋生態(tài)系統(tǒng)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(xì)胞壁和細(xì)胞內(nèi)能量儲(chǔ)存化合物的結(jié)構(gòu)成分，是深海碳循環(huán)的重要組成部分。大量含有各種多糖的藻類植物和動(dòng)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(jī)碳經(jīng)上層微生物的分解又轉(zhuǎn)化為水中的有機(jī)碳，進(jìn)入海洋再循環(huán)，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(jī)碳源。

“這些沉積在海洋深層地下的復(fù)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(dǎo)的多糖降解是海洋碳循環(huán)中的一個(gè)重要過程。

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

孫超岷告訴記者，關(guān)于多糖降解一直以來都受到人們的廣泛關(guān)注，其中有一類微生物(擬桿菌)被認(rèn)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(huán)境中，在高分子量碳水化合物的降解中發(fā)揮著關(guān)鍵作用。

據(jù)報(bào)道，擬桿菌門的很多成員具有較強(qiáng)的多糖降解能力，推測(cè)可能是因?yàn)樵跀M桿菌中存在一種獨(dú)特的多糖降解機(jī)制，即在它們的基因組中含有大量的多糖利用位點(diǎn)(PULs，polysaccharide utilization loci)。

“在大部分?jǐn)M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(gè)含有淀粉利用系統(tǒng)(Sus)的PUL是在人類腸道細(xì)菌Bacteroidesthetaiotaomicron中發(fā)現(xiàn)的，而且Sus操縱子被認(rèn)為是多糖降解所必需的。”孫超岷說，在這個(gè)操縱子中，蛋白因子SusC和SusD的同源物(SusC：轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白;SusD：碳水化合物結(jié)合蛋白)是必不可少的，被認(rèn)為是PUL的標(biāo)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(zhuǎn)移酶、碳水化合物結(jié)合模塊、碳水化合物酯酶、多糖裂解酶、硫酸酯酶(主要針對(duì)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(gè)編碼表面多糖結(jié)合蛋白和一個(gè)轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的串聯(lián)基因。孫超岷認(rèn)為，在它們共同作用下，多糖最初結(jié)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(zhuǎn)運(yùn)蛋白從外膜轉(zhuǎn)運(yùn)到周質(zhì)中。在周質(zhì)中，寡糖受到保護(hù)，免受其他細(xì)菌的利用，并進(jìn)一步降解為單糖，然后由特異的轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白運(yùn)輸并穿過細(xì)胞質(zhì)膜進(jìn)入細(xì)胞質(zhì)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。

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(xiàng)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(gè)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(dòng)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(bào)道卻幾乎沒有，主要是因?yàn)樯詈M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?cè)谏詈Ｌ荚氐纳锏厍蚧瘜W(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(dòng)物殘骸，在這些極端條件的驅(qū)動(dòng)下，冷泉環(huán)境中形成了一個(gè)獨(dú)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(duì)首先通過擴(kuò)增子測(cè)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(gè)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(gè)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(gè)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(duì)菌株WC007基因組進(jìn)行了PULs的預(yù)測(cè)和注釋，發(fā)現(xiàn)基因組中存在大量多糖降解利用位點(diǎn)，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(duì)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(duì)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(duì)推測(cè)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(huì)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(huì)首先通過外膜轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白識(shí)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(yùn)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(shí)，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)(圖1)。

“總之，我們對(duì)菌株WC007降解多糖的深入研究有助于理解擬桿菌對(duì)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(duì)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(dòng)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(gè)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(gè)新頂點(diǎn)。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。(記者 王健高 通訊員 王敏)