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我所“深海微生物代谢机制与环境作用创新团队”在深海微生物PAHs代谢调控机制研究方面获得重要进展
来源:    发布时间: 2021年10月14日     点击数:

近日,自然资源部第三海洋研究所“深海微生物代谢机制与环境作用创新团队”在深海微生物多环芳烃代谢与调控机制研究方面取得重要进展。 研究成果于2021年10月在美国微生物学会旗下权威学术期刊 “mSystems” (5年影响因子:7.6,JCR一区)上发表,题目为“An intracellular sensing and signal transduction system that regulates the metabolism of polycyclic aromatic hydrocarbons in bacteria”。 创新团队首席邵宗泽研究员为文章的通讯作者,首席助理王万鹏研究员为文章的第一作者。

多环芳烃(PAHs)是具有两个或多个苯环的疏水性化合物,在全球海洋、陆地和大气中广泛分布。PAHs可以通过大气层传输,扩散至偏远的洋区。在深海水中,PAHs倾向于吸附在悬浮颗粒上,并沉积至海底沉积物。此外,海底火山爆发、洋中脊热液活动等海底活动也可产生PAHs。因此,即使在热液区、甚至洋壳深部等极端海洋环境中,也会发现PAHs的存在。最近,同济大学李江涛等人在Nature发文报道,IODP钻井下地壳岩芯样品中也存在PAHs降解菌的活动(Li et al., 2020)。

自2005年,我们率先开展了大洋深海PAHs降解多样性与代谢机制的研究。发现深海细菌Cycloclasticus在大西洋、太平洋、北冰洋、印度洋等各大洋深海沉积物、水体与热液环境中广泛分布,是优势PAHs降解菌(Cui et al., 2008; Dong et al., 2015; Wang et al., 2008; Wang et al., 2020)。最近,我们首次解析了分离自太平洋深海沉积物高效PAHs降解菌Cycloclasticus sp.P1对多种多环芳烃代谢机制,发现了萘\菲\芘不同代谢途径与关键基因(Wang et al., 2018)。

尽管国内外已经能对海洋PAHs降解菌多样性与代谢途径研究有了较为系统的研究,但是细菌是如何发现环境中PAHs、如何将胞外的PAHs信号转导到细胞内,并驱动趋化、吸收与代谢过程等等,这些过程尚鲜为人知。为回答这些问题,我们以海洋环境中广泛分布的PAHs降解细菌Cycloclasticus为研究对象开展相关研究,确定了参与多环芳烃胞内感受、信号转导和不同种类PAHs降解途径调节的关键基因(图1)。结果显示,多环芳烃特异性地与二聚体环苷酸环化酶(PdgC)结合,导致环二聚体GMP (c-di-GMP)的生成(图2),随后与两种CRP/FNR家族调节蛋白DPR-1和DPR-2结合(图3)。c-di-GMP分别激活DPR-1和DPR-2的转录功能,正向调控芘和菲/萘等PAHs的降解途径基因表达。这是国际上首次对细菌降解PAHs相关的细胞内信号转导途径的报道。研究结果有助于深入认识细菌的烃代谢调控网络及其对PAHs污染环境的响应机制。

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图1. 细胞胞内PAHs感应、信号转导系调控代谢模式图

 

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图2 胞内感应蛋白PdgC与PAHs的相互作用

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图3 第二信使c-di-GMP激活转录调控因子DPRs促进PAHs降解


该研究得到了国家自然科学基金“水圈微生物”重大研究计划重点项目(91851203)、国家自然科学基金“优青”项目(41922041)及创新团队建设经费的支持。

论文链接:https://journals.asm.org/doi/10.1128/mSystems.00636-21

 

Cui, Z., Lai, Q., Dong, C., Shao, Z. 2008. Biodiversity of polycyclic aromatic hydrocarbon-degrading bacteria from deep sea sediments of the Middle Atlantic Ridge. Environ Microbiol, 10(8), 2138-49.

Dong, C.M., Bai, X.H., Sheng, H.F., Jiao, L.P., Zhou, H.W., Shao, Z.Z. 2015. Distribution of PAHs and the PAH-degrading bacteria in the deep-sea sediments of the high-latitude Arctic Ocean. Biogeosciences, 12, 2163–2177.

Li, J., Mara, P., Schubotz, F., Sylvan, J.B., Burgaud, G., Klein, F., Beaudoin, D., Wee, S.Y., Dick, H.J.B., Lott, S., Cox, R., Meyer, L.A.E., Quemener, M., Blackman, D.K., Edgcomb, V.P. 2020. Recycling and metabolic flexibility dictate life in the lower oceanic crust. Nature, 579(7798), 250-255.

Wang, B., Lai, Q., Cui, Z., Tan, T., Shao, Z. 2008. A pyrene-degrading consortium from deep-sea sediment of the West Pacific and its key member Cycloclasticus sp. P1. Environ Microbiol, 10(8), 1948-63.

Wang, W., Li, Z., Zeng, L., Dong, C., Shao, Z. 2020. The oxidation of hydrocarbons by diverse heterotrophic and mixotrophic bacteria that inhabit deep-sea hydrothermal ecosystems. ISME J, 14(8), 1994-2006.

Wang, W., Wang, L., Shao, Z. 2018. Polycyclic Aromatic Hydrocarbon (PAH) Degradation Pathways of the Obligate Marine PAH Degrader Cycloclasticus sp. Strain P1. Appl Environ Microbiol, 84(21).