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海洋所發現深海硫酸鹽還原菌通過代謝硫代硫酸鈉形成單質硫

  近日,國際生物學期刊mLife刊發了題為“A deep-sea sulfate-reducing bacterium generates zero-valent sulfur via metabolizing thiosulfate”的文章,報道了中科院海洋研究所孫超岷課題組在實驗室及深海原位兩個層面證實硫酸鹽還原菌通過代謝硫代硫酸鈉形成單質硫的研究成果,為研究我國南海冷泉噴口廣泛分布硫單質的成因提供了新的思路。 

  單質硫是硫地球生物化學循環中的重要中間體。在前期科考調查中,海洋所張鑫研究組基于拉曼光譜觀測到我國南海冷泉環境中單質硫含量豐富,但是形成原因不清晰。孫超岷課題組在前期工作中從實驗室(ISME J, 2020)和深海原位(mBio, 2022)兩個層次證實了一株冷泉硫氧化菌能基于一條新型硫氧化途徑將硫代硫酸鈉轉化成單質硫。綜合其他科研人員的研究成果,硫氧化菌被認為是單質硫形成的重要貢獻者。然而,深海硫酸鹽還原菌是否介導單質硫形成及貢獻有多大卻鮮有報道。借助“科學號”科考船2018年南海冷泉航次獲得的樣品,孫超岷課題組分離培養了一株典型硫酸鹽還原菌Oceanidesulfovibrio marinus CS1。結合拉曼光譜及掃描電鏡結果證實該硫酸鹽還原菌能通過代謝硫代硫酸鈉形成單質硫;結合蛋白組學及蛋白體外表達和功能分析等手段證實硫代硫酸鹽還原酶 (PhsA)及硫化:醌氧化還原酶(SQR)在驅動單質硫形成過程中起到關鍵作用。在這個過程中,硫代硫酸鹽先被PhsA還原生成硫化物,然后硫化物被SQR氧化生成單質硫。借助“科學號”科考船2020年南海冷泉航次,科研人員將該硫酸鹽還原菌布放在深海冷泉噴口附近并培養了10天,通過蛋白組學實驗證實PhsASQR的表達顯著上調,提示該菌株極有可能在深海冷泉環境中也形成單質硫。值得注意的是,通過宏基因組分析,研究人員發現在南海冷泉不同深度沉積物中的硫酸鹽還原菌基因組中phsAsqr的同源基因廣泛存在??紤]到硫酸鹽還原菌是深海冷泉環境的一類高豐度微生物,因此,研究人員認為硫酸鹽還原菌是介導深海冷泉環境單質硫形成的重要類群。前期大部分研究主要考慮了硫氧化菌對單質硫形成的貢獻,而忽略了硫酸鹽還原菌在單質硫形成過程中的作用,后期研究需要綜合評估其在單質硫形成中的貢獻,并揭示相應分子機制及其對深海硫元素循環的驅動作用。 

  實驗海洋生物學重點實驗室劉瑞博士為第一作者,孫超岷研究員為通訊作者。研究得到了青島海洋科學與技術試點國家實驗室“十四五”重大項目、中科院戰略先導專項、中國科學院海洋大科學研究中心重點部署項目等項目聯合資助。mLife是由中國科學院主管、中國科學院微生物研究所主辦的我國微生物學領域第一本綜合性高起點英文期刊,并于2021年榮獲中國科技期刊卓越行動計劃高起點新刊項目。 

  論文信息:Rui Liu, Yeqi Shan, Shichuan Xi, Xin Zhang, Chaomin Sun*. A deep-sea sulfate-reducing bacterium generates zero-valent sulfur via metabolizing thiosulfate. mLife, 2022. Doi: 10.1002/mlf2.12038. 

  https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/mlf2.12038     

1 深海硫酸鹽還原菌O. marinus CS1代謝硫代硫酸鈉形成單質硫 

圖 2 PhsA和SQR的表達在深海原位得到顯著上調 

3 深海硫酸鹽還原菌通過基于硫代硫酸鈉形成單質硫代謝通路圖 

圖4 宏基因組結果顯示phsAsqr的同源基因在深海硫酸鹽還原菌中廣泛存在

  


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