上海交大團隊首次發現古菌參與海洋沉積物中木質素的代謝

2020-11-22 上海交通大學新聞網

近日，美國科學院院刊PNAS在線發表了由上海交通大學生命科學技術學院、微生物代謝國家重點實驗室王風平教授團隊的研究成果「Growth of sedimentary Bathyarchaeota on lignin as an energy source」。該研究發現了一種新的木質素降解菌—— 「深古菌」門的類群Bathy-8，它是海洋沉積物中的重要古菌，在海洋碳循環過程中發揮重要作用。王風平教授為通訊作者，上海交通大學博士餘甜甜和德國不萊梅大學博士吳偉超為文章的共同第一作者。

木質素是一類複雜的交聯酚類聚合物，自然界中豐度僅次於纖維素，為位居第二的有機物。海洋沉積物是地球上最大的有機碳庫，以木質素、纖維素、半纖維素為主的結構性聚合物是陸源有機質的重要組成成分，約佔海洋埋藏有機質的三分之一，因此，木質素的厭氧降解被認為是全球碳循環的重要過程之一。在上世紀80年代已有海洋沉積物中微生物厭氧降解木質素的相關報導，但參與代謝的微生物種類及過程卻仍然未知。「深古菌」（Bathyarchaeota) 是海洋沉積物中最豐富和活躍的一大類古菌，是地球上數量最豐富的微生物之一。目前通過已獲取的宏基因組信息推測表明，「深古菌」具有多種代謝潛能，如自養產乙酸、產甲烷和發酵等，但由於「深古菌」細胞生長異常緩慢等原因，至今尚未實現在實驗室進行培養，因此缺少進一步的直接證據。

研究團隊長期致力於古菌生物地質學和地球化學功能研究，在深部古菌研究中取得了一系列創新性成果，包括如發現並命名了「深古菌」新門（ISME J 2014），成功解析了「深古菌」部分類群的獨特代謝形式（Nat Microbiol 2016）等。本次與德國不萊梅大學和瑞士聯邦技術研究院合作，在前期獲得的基因組信息基礎上，通過添加不同類型有機質包括脂肪酸類（油酸）、蛋白質類（酪蛋白）、芳香族化合物單體（苯酚）、芳香族化合物多聚體（木質素）和結構性碳水化合物（纖維素）對「深古菌」進行了富集培養。結果表明，只有添加了木質素的培養環境能夠促進「深古菌」的生長，生長代時約為2-3個月，同時，「深古菌」還將無機碳吸收到了細胞膜脂中。該項研究首次實現了「深古菌」的實驗室富集生長，表明「深古菌」具有有機自養的代謝特徵，即「深古菌」可以利用木質素為能源、無機碳為碳源進行代謝生長（圖示）。

深古菌Bathyarchaeota是海洋沉積物中木質素降解者，在地球碳循環過程中發揮了重要作用

該項研究首次證實「深古菌」是海洋沉積物中木質素降解的重要參與者，從新的角度認識了木質素在自然界的循環過程和機制，為深入理解海洋碳循環機製做出了貢獻。同時，「深古菌」可降解木質素的發現將為植物難降解生物質的利用和綠色能源生產提供新的思路和途徑。

該項工作得到國家重點研發專項（2016YFA0601102）, 國家自然科學基金（41525011，91751205, 91428308）的支持。

論文連結：http://www.pnas.org/content/early/2018/05/16/1718854115

 

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