近日,國際分子生物學期刊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,報道了中科院海洋所孫超岷課題組在深海硫氧化細菌硫代謝和光能利用耦合機制方面的最新研究成果,為認知和評估微生物對深海硫元素循環(huán)的驅動作用和貢獻提供了新角度,也為解釋我國南海冷泉噴口廣泛分布硫單質的成因提供了新思路。
在深海生命形式中,微生物類型最為多樣,對元素生物地球化學循環(huán)發(fā)揮關鍵的驅動作用。在眾多元素中,硫元素參與了許多重要生命活動,與多個元素循環(huán)通路相耦聯(lián),其生物地球化學循環(huán)過程一直是了解深海物質能量循環(huán)的關注點。單質硫作為硫元素循環(huán)過程的重要中間代謝產物,可為微生物暫時儲存能量。在前期科考調查中,海洋所張鑫團隊基于拉曼光譜觀測到我國南海冷泉環(huán)境中單質硫含量豐富,但是形成原因不清晰。孫超岷課題組發(fā)現(xiàn)一株冷泉細菌Erythrobacter flavus 21-3能基于一條新型硫氧化途徑將硫代硫酸鈉轉化成單質硫,該硫氧化途徑在很多深海微生物中都存在(ISME J, 2020),在深海原位被證實也能真實發(fā)生(mBio, 2022),對深海硫元素循環(huán)有重要貢獻。
一次偶然機會,研究人員發(fā)現(xiàn)藍光可以顯著提升該菌株產生單質硫的效率,這促使他們開展了更深入的探索性工作,并最終證實了一條藍光促進深海硫氧化細菌形成單質硫的新通路。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光感受器;LOV組氨酸激酶LOV-1477接收到外界藍光刺激后,進一步激活二鳥苷酸環(huán)化酶DGC-2902,使其釋放c-di-GMP調控下游通路;c-di-GMP進一步與含PilZ蛋白結構域的mPilZ-1753結合,增強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,最終導致單質硫的產量增加。該團隊還發(fā)現(xiàn),在該菌株的光硫耦合通路中,硫代硫酸鹽在TsdA的作用下轉化為連四硫酸鹽后,兩個功能相同、可互為替代的硫氧化蛋白SoxB(SoxB-277和SoxB-285)能進一步將連四硫酸鹽水解,驅動單質硫的生成。
作為一株來自深海冷泉的非光合細菌,E. flavus 21-3的單質硫產生為何會對光作出響應?要回答這個問題,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。深海被認為是一個黑暗的、由化學能支撐維系的生態(tài)系統(tǒng),但越來越多的證據(jù)表明深海存在不同形式的地質光(如熱液區(qū)的熱輻射光)或生物發(fā)光。相應地,孫超岷團隊近年來陸續(xù)發(fā)現(xiàn)多種深海微生物能感知或利用光能。比如,熱液非光合細菌正黃胞球菌可以通過光敏色素感知紅外光(Environmental Microbiology, 2021);熱液非光合細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);冷泉非光合細菌海綿桿菌能感知藍光(mSystems, 2022);冷泉綠彎菌新分支在實驗室和深海原位環(huán)境均能進行光合作用(mBio, 2022)。上述這些成果充分證實了“深海有光且深海微生物具有利用光的能力”。那么,深海硫氧化細菌E. flavus 21-3的光響應能力會為它的生存帶來哪些優(yōu)勢呢?
研究人員推測,由于單質硫可以用來儲存能量,光硫耦合通路的存在會讓E. flavus 21-3在藍光出現(xiàn)時合成更多的單質硫,用于支持后期的生長代謝。該研究揭示了一種此前鮮有關注的深海微生物中光響應及硫代謝之間的耦聯(lián),對于后續(xù)探索深海微生物介導的元素循環(huán)與特殊能量代謝之間的耦合關系提供了新思路。值得一提的是,“科學”號科考船在整個研究過程中,無論是樣品采集還是深海原位實驗都發(fā)揮了不可替代的作用,彰顯了大科學裝置在深海研究中的重要性。

深海硫氧化細菌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、基金委重大計劃、山東省“十四五”重大項目等聯(lián)合資助,同時也得到了中科院海洋研究所研究員張鑫及中科院南海海洋研究所研究員高貝樂團隊的大力支持。
相關論文: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
(文章來源于海洋所官網(wǎng),“科學”號信息員封婧編輯提供)