深海冷泉生態(tài)系統(tǒng)是地球上獨特的“暗黑綠洲”，其中甲烷厭氧氧化過程（AOM）是調(diào)節(jié)全球甲烷收支平衡的關(guān)鍵環(huán)節(jié)【1,2】。在該過程中，產(chǎn)甲烷古菌和甲烷厭氧氧化古菌發(fā)揮著核心作用。磷（P）是生命必需的元素，在深海寡營養(yǎng)環(huán)境中，磷的有效性極為有限，但其如何影響深海產(chǎn)甲烷古菌的生長和代謝，尤其是多聚磷酸鹽（polyP）在這一過程中的作用，尚不清楚。

多聚磷酸鹽是一種由3至上千個正磷酸殘基通過高能磷酸酐鍵連接而成的線性聚合物，廣泛存在于從細菌到哺乳動物的所有生物中，在能量儲存、磷酸鹽穩(wěn)態(tài)、脅迫響應(yīng)等多種生理過程中發(fā)揮關(guān)鍵作用【3,4】。然而，多聚磷酸鹽在產(chǎn)甲烷古菌中的生理功能及其與甲烷代謝的關(guān)聯(lián)，長期以來研究甚少。

近日，中國科學(xué)院海洋研究所孫超岷研究員團隊在PNAS上發(fā)表了題為 Polyphosphate affects the growth and methanogenesis of deep-sea methanogenic archaea 的研究論文。該研究通過對分離自深海冷泉及海山生境的8株產(chǎn)甲烷古菌的系統(tǒng)分析，揭示了多聚磷酸鹽代謝與深海產(chǎn)甲烷古菌生長及甲烷產(chǎn)生之間的耦合機制，并發(fā)現(xiàn)這些古菌具有利用有機磷源補充磷元素并驅(qū)動polyP合成的獨特能力。這項研究為理解深海產(chǎn)甲烷古菌在寡營養(yǎng)環(huán)境中的生存策略提供了新視角。

研究團隊首先從南海多個冷泉和海山沉積物中成功分離并純化了8株產(chǎn)甲烷古菌，經(jīng)16S rRNA基因和基因組系統(tǒng)發(fā)育分析，均歸屬于 Methanobolus 屬。透射電鏡觀察發(fā)現(xiàn)，這些菌株的細胞內(nèi)普遍存在大量電子致密顆粒，后續(xù)通過能譜分析、DAPI染色及核磁共振等技術(shù)確認為多聚磷酸鹽顆粒。其中，菌株ZRKC1生長和產(chǎn)甲烷速率最高，被選為后續(xù)研究的模式菌株。生長動力學(xué)分析顯示，ZRKC1在生長過程中會持續(xù)消耗培養(yǎng)基中的無機磷，并將其轉(zhuǎn)化為細胞內(nèi)多聚磷酸鹽，多聚磷酸鹽含量與生長曲線呈正相關(guān)，表明多聚磷酸鹽作為胞內(nèi)磷庫，在磷充足時“儲備”磷元素。

為探究多聚磷酸鹽代謝的分子基礎(chǔ)，研究人員對ZRKC1基因組進行了分析，鑒定出編碼多聚磷酸激酶PPK1和PPK2的基因。轉(zhuǎn)錄水平分析發(fā)現(xiàn)，ppk1在生長過程中持續(xù)高表達，而 ppk2則在生長后期才被誘導(dǎo)。利用基因敲除技術(shù)，構(gòu)建了 Δppk1和 Δppk2突變株。表型分析顯示， Δppk1突變株幾乎完全喪失了多聚磷酸鹽合成能力，同時其生長速率、最大生物量和甲烷產(chǎn)量均顯著下降，而 Δppk2突變株在多聚磷酸鹽合成方面沒有明顯變化。進一步生化實驗證實，PPK1以Mg2?依賴的方式催化多聚磷酸鹽合成，而PPK2主要發(fā)揮多聚磷酸鹽水解功能。這些結(jié)果表明，PPK1介導(dǎo)的多聚磷酸鹽合成是ZRKC1維持正常生長和高效產(chǎn)甲烷所必需的。

在深海寡營養(yǎng)環(huán)境中，無機磷往往匱乏。那么ZRKC1如何獲得磷源？研究人員發(fā)現(xiàn)，當(dāng)培養(yǎng)基中添加淀粉或殼聚糖等多糖時，ZRKC1的生長和產(chǎn)甲烷能力得到顯著增強。進一步分析表明，這些多糖中含有有機磷，而ZRKC1在添加多糖后，其轉(zhuǎn)錄組中多個編碼磷酸酯酶和磷酸轉(zhuǎn)運系統(tǒng)的基因顯著上調(diào)。其中，兩個磷酸酯酶（V7059_RS02375和V7059_RS09360）被證實能夠從淀粉和殼聚糖中釋放無機磷。使用磷酸酯酶抑制劑或去除可用的磷源后，ZRKC1無法利用有機磷生長，而補充無機磷則能恢復(fù)其生長，證實了ZRKC1通過磷酸酯酶利用環(huán)境中的有機磷來滿足磷需求的獨特策略。

最后，研究人員通過在深海冷泉原位放置培養(yǎng)裝置，對回收的ZRKC1細胞進行轉(zhuǎn)錄組分析，發(fā)現(xiàn)參與磷獲取、多聚磷酸鹽合成和甲烷代謝的相關(guān)基因在原位條件下均呈上調(diào)表達，與實驗室觀察到的轉(zhuǎn)錄模式一致，提示上述代謝策略可能在自然環(huán)境中確實發(fā)揮作用。

綜上所述，該研究揭示了深海產(chǎn)甲烷古菌 Methanobolus sp. ZRKC1通過PPK1介導(dǎo)的多聚磷酸鹽合成來儲存磷和能量，從而支持其生長和甲烷產(chǎn)生；同時，該菌還具備利用環(huán)境中廣泛存在的有機磷作為磷源的能力，通過誘導(dǎo)表達磷酸酯酶從多糖等有機物中攫取無機磷，進一步驅(qū)動多聚磷酸鹽合成。這一磷獲取和能量儲存相偶聯(lián)的代謝機制，可能是深海產(chǎn)甲烷古菌適應(yīng)寡營養(yǎng)、高壓、低溫等極端環(huán)境的重要生存策略。

深海產(chǎn)甲烷古菌驅(qū)動的碳磷元素循環(huán)耦合模型

原文鏈接： https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2608127123

制版人：十一

參考文獻

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3. Kornberg, A., Rao, N. N. & Ault-Riche, D. Inorganic polyphosphate: A molecule of many functions.Annu. Rev.Biochem.68, 89-125 (1999).

4. Rao, N. N., Gómez-García, M. R. & Kornberg, A. Inorganic polyphosphate: Essential for growth and survival.Annu. Rev.Biochem.78, 605-647 (2009).

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