科学Nature子刊：中国海洋大学张晓华团队发现马里亚纳海沟微生物抵抗高压的新机制
北京联盟_本文原题：Nature子刊：中国海洋大学张晓华团队发现马里亚纳海沟微生物抵抗高压的新机制
本文插图
细菌是深海无光和高压环境下的重要DMSP生产者
Bacteria are important dimethylsulfoniopropionate producers in marine aphotic and high-pressure environments [IF: 12.121]
发表日期：2020-09-16
第一作者：Yanfen Zheng（郑艳芬）1 ， Jinyan Wang（王金燕）1
通讯作者：Xiao-Hua Zhang（张晓华）1 ， Jonathan D.Todd2
作者单位：1中国海洋大学海洋生命学院；2英国东英吉利大学
导 读
二甲基巯基丙酸内盐（dimethylsulfoniopropionate, DMSP）是地球上最丰富的有机硫分子之一 ， 也是“冷室气体”二甲基硫（dimethyl sulphide, DMS）的最主要前体物质 ， 在气候变化和全球硫循环中均扮演着重要角色 。 以前普遍认为生存于真光层的浮游微藻、大型藻类等真核生物才能合成DMSP ， 使得DMSP相关研究主要集中在上层海洋环境 。 研究团队前期发现海洋异养细菌也可以合成DMSP ， 因此黑暗无光的深海环境中DMSP的产量、分布和环境效应亟需研究 。 研究团队以马里亚纳海沟为研究对象 ， 对水体和沉积物中DMSP浓度的垂直变化 ， 以及DMSP合成和降解细菌的丰度、多样性及与环境因子的相关性进行了研究 。 研究结果表明 ， DMSP产生菌的丰度随水深增加而增加 ， 在深海沉积物中达到最大值；而DMSP降解菌则呈相反趋势 ， 暗示DMSP可能对深海微生物具有压力保护作用 。 研究团队进一步发现 ， 细菌菌株在高压条件下的DMSP产量得到提高 ， 且敲除DMSP合成基因可显著降低菌株在高压条件下的存活率 ， 外源添加DMSP后菌株存活率得到恢复 。 该研究首次发现并证实DMSP在压力保护方面的新功能 ， 指出异养细菌是深海海水和沉积物中DMSP的重要生产者 。
一、背景介绍
据报道海洋藻类、珊瑚、植物和异养细菌都能产生DMSP ， 并在这些生物中发挥着渗透压保护剂、低温保护剂、捕食防御剂和抗氧化剂的功能 。 目前鉴定的DMSP合成基因包括细菌中的dsyB和mmtN ， 以及藻类中的DSYB和TpMMT 。 这些基因已经成为预测原核生物和真核藻类合成DMSP的分子工具 。 DMSP的降解产物DMS ， 能够增加云凝结核 ， 具有气候调节作用 。 降解过程主要发生在海洋细菌中 。 其中 ， 细菌通过两种途径进行DMSP的分解代谢：脱甲基途径（dmdA）和裂解途径（ddd系列基因） 。
据报道真光层（0-200 m）海水中DMSP的浓度为1-100 nM ， 通常在叶绿素最大层含量最高 。 相比之下 ， 在海洋无光层（200 m以深）中 ， DMSP含量较低（~1.0-3.3 nM） 。 但从全球范围来看 ， 无光层海水的体积在全球海洋中占比更大 。 因此 ， 深海无光层的总DMSP含量可能高于真光层 ， 并且细菌是深层海洋中重要的DMSP生产者 。 为了验证这一假设 ， 我们检测了马里亚纳海沟海水（0-10500 m）和沉积物（5525-10910 m）中的DMS和DMSP浓度 。 通过宏基因组测序、16S rRNA基因高通量测序、克隆文库测序、荧光定量PCR和反转录荧光定量PCR等技术分析了不同深度海水和沉积物样品中DMSP合成与降解基因/细菌的丰度变化 。 此外 ， 我们还获得了大量可培养的细菌 ， 并探索了DMSP在帮助细菌耐受静水压力方面的作用 。
二、结果
1. 深海海水和沉积物的环境参数
本文插图
图1 DMSP、DMS和叶绿素a在马里亚纳海沟水体和沉积物中的变化
2. DMSP合成基因的垂直分布
所有海水样品均进行了宏基因组测序 ， 共获得~232 Gb的数据量 。 目前已知的细菌合成DMSP的两个关键酶为DsyB和MmtN ， 我们用已验证功能的蛋白序列作为参考序列 ， 通过HMM工具与宏基因组数据中预测的蛋白序列库进行比对 ， 比对到的序列通过构建系统进化树以及在NCBI-nr上比对验证 ， 最终获得潜在有功能的蛋白序列 。 含有DsyB或者MmtN的细菌存在于大多数的海水和沉积物样品中 ， 在表层海水中0.90-1.18%的细菌含有DMSP合成基因（dsyB或者mmtN） ， 在深层海水（4000 m以深）中 ， 2.58-5.25%的细菌含有DMSP合成基因 ， 显著高于表层水（图2A） 。 在获得的162个组装基因组（metagenome assembled genomes, MAG）中 ， 37个含有dsyB ， 9个含有mmtN ， 主要为Alphaproteobacteria和 Gammaproteobacteria细菌 。 通过qPCR和RT-qPCR实验也证实DMSP合成基因在深层海水中丰度或者表达量最高（图2B和C） 。
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