朱永官院士團隊在環境砷汙染與地球演化歷史研究取得重要進展

朱永官院士團隊在環境砷汙染與地球演化歷史研究取得重要進展

北極星環境修復網訊:2020年4月29日，國際著名學術刊物《美國國家科學院院刊》（Proceedings of the National Academy of Sciences，USA）在線發表了關於生命耐砷機制起源的研究論文"The Great Oxidation Event expanded the genetic repertoire of arsenic metabolism and cycling"，揭示了地球砷環境演變與微生物抗砷分子機制進化的因果關係。該研究由中國科學院生態環境研究中心朱永官團隊和美國佛羅裡達國際大學Barry P. Rosen團隊聯合完成。德國亥姆霍茲環境研究中心博士後陳松燦和中國科學院生態環境研究中心研究員孫國新為共同第一作者，朱永官研究員和Barry P. Rosen教授為本文的通訊作者。

重構地球生命的起源和演化過程是地球環境科學和地球生物學研究中最具挑戰的研究課題之一。生命從出現到進化需要不斷適應有害的物理化學環境，包括重金屬的毒害。砷是地球上分布最廣的劇毒類金屬，其氧化還原轉化及環境行為影響著生命的演化進程。在地球演變歷史中，砷的形態及其毒性隨地表氧化還原狀態的變化而不斷改變。元古代早期（24.5–23.5億年前）的大氧化事件（Great Oxidation Event，GOE）是地球大氣首次大規模充氧事件，對砷生物地球化學循環產生了深遠的影響。在大氧化事件之前，原始地球環境中氧氣濃度極低，砷主要以三價還原態（如亞砷酸鹽）的形式存在。隨著氧氣濃度的增加，環境中的三價砷被氧化為五價砷（如砷酸鹽），導致原始生命首次暴露於五價砷的毒害之下，並成為威脅地球生命的一個重要環境因素。然而，生命是如何應對由大氧化事件導致的砷環境毒性的劇變尚不明確。

該研究利用系統進化基因組學（phylogenomics）、分子鐘理論（molecular clock）和生物進化模型（macro-evolutionary model），估算了目前報導的所有微生物砷解毒基因的起源時間，重構了大氧化事件前後微生物抗砷系統的演變，並結合地球化學證據闡述了砷在環境中的變化與生命耐砷分子機制進化的關係。研究結果表明，在三價砷主導的原始地球環境中，微生物砷解毒系統由還原態砷的抗性機制構成。主要途徑包括三價砷的外排和甲基化，分別由亞砷酸轉運蛋白（Acr3）和砷甲基轉移酶（ArsM）介導。為了緩解由大氧化事件導致的五價砷的毒害作用，微生物進化出砷酸鹽還原酶（ArsC），並與原有的砷外排機制共同組裝出了五價砷的解毒途徑。隨著大氣游離氧的積累，氧氣被微生物利用以抵抗砷的毒性。其中，需氧酶ArsI（碳-砷裂解酶）和ArsH（甲基砷氧化酶）介導抗砷途徑的產生和演化，使得微生物砷解毒系統進一步擴張（圖1）。

該聯合團隊長期致力於砷生物地球化學過程和微生物抗砷分子機制的研究，取得了一系列重要進展，相關成果已在Nature Plants，PNAS和Annual Review of Earth and Planetary Sciences等國際頂級學術期刊發表。本研究以微生物抗砷系統的進化為例，系統描繪了地球演化歷史中生命對重金屬環境毒性的適應過程，為闡明重金屬元素循環、生命進化和地球演變之間的交互作用提供了新的視角。另外，該研究探索了新型「化石」—生物基因組在解決前沿進化生物學問題中的應用模式，所獲得的結果對理解重金屬汙染環境下的生態學過程具有重要意義，為人類適應、調控、改造和治理汙染環境提供一定的理論基礎。

本項目研究得到了國家自然科學基金（41430858），中國科學院戰略性先導專項B（XDB15020302和XDB15020402）及美國國立衛生研究院基金（GM55425和ES023779）的資助。

圖1 大氧化事件之前（A）與之後（B）微生物抗砷分子機制的演變。

原標題:朱永官院士團隊在環境砷汙染與地球演化歷史研究取得重要進展|研究

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