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海洋所在深海原位验证了微生物介导的单质硫形成新通路

  7月20日,国际学术期刊mBio刊发了题为“Deep-sea in situ insights into the formation of zero-valent sulfur driven by a bacterial thiosulfate oxidation pathway”的文章,报道了总站|亚博yabovip2024网页版总站|亚博yabovip2024网页版孙超岷课题组在深海冷泉原位环境验证细菌氧化硫代硫酸钠形成单质硫新型途径的研究成果,为深海原位研究微生物特殊生命过程提供了可借鉴的手段,也为解释我国南海冷泉喷口广泛分布硫单质的成因提供了理论证据。 

  在前期科考调查中,海洋所张鑫研究组基于拉曼光谱观测到我国南海冷泉环境中单质硫含量丰富,但是形成原因不清晰。孙超岷课题组发现一株冷泉细菌Erythrobacter sp. 21-3能基于一条新型硫氧化途径高效氧化硫代硫酸钠形成单质硫,该新型硫氧化途径在很多深海微生物中都存在,对深海硫元素循环有重要贡献(ISME J, 2020)。但限于各种原因,该硫氧化途径在深海原位是否发生一直未得到验证。借助2020年“科学号”考察船的南海冷泉航次,孙超岷课题组将冷泉细菌Erythrobacter sp. 21-3及其突变株布放到深海冷泉喷口附近原位培养了10天,收回细菌培养物后,综合运用拉曼光谱、蛋白组学、分子生物学及分子遗传学等手段证实该菌株在深海原位的确能形成硫单质,而敲除掉硫氧化途径中关键基因tsdA(Thiosulfate dehydrogenase)soxB (Thiosulfohydrolase)后,细菌形成硫单质的能力大幅下降,这与实验室的研究结果高度一致。与实验室结果不同的是tsdA敲除株在实验室条件下不能利用硫代硫酸盐产生单质硫,而原位条件下却能够产生单质硫,经过研究发现该突变株能够利用深海冷泉广泛存在的连四硫酸盐启动上述硫氧化途径形成单质硫;而在实验室条件下,连四硫酸盐需要TsdA代谢硫代硫酸盐形成。上述结论的差异也提示深海研究工作者需要综合考虑实验室和深海原位的条件差异,进行更为全面的实验验证才能真正了解深海微生物的真实生命过程,这些研究的顺利进行需要生物、地质、物理海洋等多学科交叉合作才能完成。进而,研究人员发现相比于能够产生少量单质硫的tsdA敲除株,不产生单质硫的soxB敲除株下调的蛋白总体集中在能量的产生及转换通路上。相应地,科研人员证实了E. flavus 21-3在实验室和深海原位均能够利用单质硫作为营养源进行生长。相比之下,原位条件下,E. flavus 21-3的单质硫产生途径对其生长、能量的生成和转化来说意义更为重要。最后,研究人员基于宏基因组测序手段发现冷泉的在冷泉沉积物硫代谢基因丰度最大的表层,具有新发现的硫氧化途径的细菌基因组约占组装基因组总数的25%,认为该通路的在冷泉当中具有一定的普遍性,推测对于冷泉的硫循环有重要贡献。 

深海原位实验流程图

 

深海原位验证细菌基于新型硫氧化途径产生单质硫的过程 

蛋白组学手段研究实验室及原位条件下细菌产生单质硫的生物学功能 


深海冷泉原位实验地点不同深度沉积物宏基因组分析 

  该研究成果第一作者为实验总站|亚博yabovip2024网页版重点实验室博士研究生蔡瑞宁,孙超岷研究员为通讯作者。研究得到了青岛海洋科学与技术试点国家实验室“十四五”重大项目、中科院战略先导专项、总站|亚博yabovip2024网页版海洋大科学研究中心重点部署项目等项目联合资助。 

  相关论文:Ruining Cai, Wanying He, Rui Liu, Jing Zhang, Xin Zhang, Chaomin Sun*. Deep-sea in situ insights into the formation of zero-valent sulfur driven by a bacterial thiosulfate oxidation pathway. mBio, 2022. Doi: 10.1128/mbio.00143-22. 

  论文链接:https://journals.asm.org/doi/10.1128/mbio.00143-22 


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