冰川中蘊(yùn)藏著黃桿菌 周宇光供圖

研究涉及的40余株黃桿菌采集地 圖片來(lái)源：東秀珠等

近日，中科院微生物研究所東秀珠、周宇光研究組通過(guò)對(duì)采集自西藏、新疆、甘肅、四川等地的冰川黃桿菌菌株的研究，發(fā)現(xiàn)一種類胡蘿卜素——玉米黃質(zhì)有助于它們?cè)诘脱醯蜖I(yíng)養(yǎng)條件下利用光能生長(zhǎng)，這一新發(fā)現(xiàn)對(duì)國(guó)際上一直以來(lái)普遍認(rèn)為的視紫紅質(zhì)決定黃桿菌的光促生長(zhǎng)機(jī)制提出了挑戰(zhàn)。相關(guān)成果近日發(fā)表于《國(guó)際微生物生態(tài)學(xué)會(huì)會(huì)刊》。

“這將擴(kuò)大我們對(duì)微生物利用光作為能源手段的理解，也有助于解釋人們經(jīng)常觀察到的一個(gè)現(xiàn)象，即從冰川分離出來(lái)的許多微生物多產(chǎn)生色素?！痹摽瘜徃迦巳缡窃u(píng)價(jià)這一潛在的新光能利用機(jī)制。

打破現(xiàn)有結(jié)論

光合作用是地球生物賴以生存的基礎(chǔ)。色素是光合作用捕捉太陽(yáng)光能量的“器官”。植物、藻類和一些細(xì)菌通過(guò)葉綠素轉(zhuǎn)化光能為生物能，并將水、二氧化碳、氮化物等轉(zhuǎn)化為淀粉、脂肪、蛋白質(zhì)和核酸等有機(jī)物。

地球上已知的光營(yíng)養(yǎng)代謝所依賴的色素主要有三大類：葉綠素、類胡蘿卜素和藻膽素。

一直以來(lái)，國(guó)際上普遍認(rèn)為變形菌視紫紅質(zhì)是黃桿菌的利用光能的功能蛋白。

視紫紅質(zhì)是一種膜結(jié)合蛋白，它本身不能感光，而是需要結(jié)合視黃醛分子（一種類胡蘿卜素）接受光能?！耙朁S醛其實(shí)就是維生素A的類似物。”論文通訊作者、微生物所研究員東秀珠在接受《中國(guó)科學(xué)報(bào)》采訪時(shí)說(shuō)。

冰川黃桿菌??周宇光供圖

在東秀珠的帶領(lǐng)下，研究人員對(duì)采集自西藏、新疆、甘肅、四川等地冰川的47株冰川黃桿菌進(jìn)行了多組學(xué)研究?；蚪M分析發(fā)現(xiàn)其中37株含有變形菌視紫紅質(zhì)基因，另外10株不含該基因。然而，光照生長(zhǎng)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)無(wú)論是攜帶、無(wú)視紫紅質(zhì)基因的黃桿菌，還是人工敲除該基因的菌株均表現(xiàn)出光促生長(zhǎng)的特性。

“從這些研究菌株的基因表達(dá)譜看，視黃醛合成基因幾乎不表達(dá)；也未檢測(cè)這些菌株中合成視黃醛。所以，我們認(rèn)為光促生長(zhǎng)應(yīng)與視紫紅質(zhì)無(wú)關(guān)?！睎|秀珠說(shuō)。

這項(xiàng)研究無(wú)疑對(duì)一直以來(lái)的觀點(diǎn)形成了挑戰(zhàn)。

玉米黃質(zhì)或促細(xì)菌光生長(zhǎng)

大約20年前，研究人員在海洋中發(fā)現(xiàn)黃桿菌攜帶利用光能產(chǎn)生質(zhì)子泵的視紫紅質(zhì)蛋白，并賦予黃桿菌利用光能適應(yīng)低營(yíng)養(yǎng)環(huán)境。

“如果說(shuō)（黃桿菌的生長(zhǎng)）跟視紫紅質(zhì)沒關(guān)系，那么在低氧、寡營(yíng)養(yǎng)的冰川條件下，它到底跟什么有關(guān)系呢？”東秀珠與合作者繼續(xù)追問。

進(jìn)一步研究，他們發(fā)現(xiàn)冰川黃桿菌的光促生長(zhǎng)與玉米黃質(zhì)等色素合成相關(guān)。玉米黃質(zhì)、番茄紅素等β類胡蘿卜素可以為冰川黃桿菌提供光輻射保護(hù)、維持低溫下細(xì)胞膜穩(wěn)定性等作用，而僅含有黃色素的冰川黃桿菌無(wú)法在光照條件下生長(zhǎng)。

?冰川黃桿菌含有玉米黃質(zhì)、番茄紅素等β類胡蘿卜素 圖片來(lái)源：東秀珠等

“作者報(bào)道了光刺激冰川黃桿菌生長(zhǎng)，產(chǎn)生玉米黃質(zhì)。作者通過(guò)生理實(shí)驗(yàn)、基因組和轉(zhuǎn)錄組分析，發(fā)現(xiàn)了一種類似于冰川黃桿菌的變形視紫紅質(zhì)光能采集系統(tǒng)的新機(jī)制。”文章審稿人、中科院青藏高原所研究員劉勇勤評(píng)價(jià)，“這個(gè)話題很有趣，結(jié)果也很有說(shuō)服力。”

“如果這一模型成立，它將是另一種新的光能利用機(jī)制（或者至少是光介導(dǎo)的能量守恒）?！痹撗芯苛硪晃粚徃迦朔Q。該審稿人期待未來(lái)能夠進(jìn)一步厘清玉米黃質(zhì)的光促機(jī)制。

打造微生物資源“銀行”

冰川一直是極端微生物學(xué)研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)環(huán)境，其中蘊(yùn)藏著豐富的低溫微生物，冰川生態(tài)環(huán)境賦予了冰川微生物物種、遺傳和代謝的多樣性。以玉米黃質(zhì)為例，東秀珠介紹，這是一種帶有極性的類胡蘿卜素。“與我們吃的胡蘿卜、西紅柿里的類胡蘿卜素類似，具有脂溶性，用油炒比直接食用更容易吸收?！彼a(bǔ)充說(shuō)。

低溫菌的細(xì)胞膜多由不飽和的脂肪酸組成，流動(dòng)性強(qiáng)，可保證細(xì)胞膜在低溫下不凝固，與外界進(jìn)行物質(zhì)交流。但不飽和的脂肪酸組成的細(xì)胞膜也容易破裂。玉米黃質(zhì)這種帶有極性的類胡蘿卜素就像一個(gè)骨架，分子骨架部分嵌入細(xì)胞膜內(nèi)部、而頭部位于膜的外部，加強(qiáng)了細(xì)胞膜在低溫下整體結(jié)構(gòu)、不容易破裂。

作為國(guó)內(nèi)第一個(gè)通過(guò)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO9001認(rèn)證的保藏中心，中國(guó)微生物菌種保藏管理委員會(huì)普通微生物中心（CGMCC）主任、微生物所菌種保藏中心主任周宇光介紹，目前CGMCC承擔(dān)保藏的三類菌種——普通微生物菌種、基礎(chǔ)研究菌種、病原微生物菌毒種，菌種資源總量超過(guò)8萬(wàn)株，包括分離自我國(guó)11條冰川的低溫細(xì)菌菌種4000余株，建立了我國(guó)特色的冰川低溫細(xì)菌菌種資源庫(kù)。

冰川微生物是發(fā)現(xiàn)新材料、新基因、新機(jī)制和新功能的理想資源。我國(guó)南北溫度差異大，將高-中-低溫菌用于溫度適應(yīng)的地區(qū)，會(huì)對(duì)工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)帶來(lái)巨大的便利。如一些低溫酶可提高北方寒冷地區(qū)洗滌劑的除菌去污能力，一些低溫菌也有利于冬季北方地區(qū)沼氣發(fā)酵、東北地區(qū)黑土地生物降解再利用等。周宇光舉例說(shuō)。

“正是因?yàn)?年前我們很好地保藏了這些黃桿菌，才有今天的這項(xiàng)研究結(jié)果?！睎|秀珠說(shuō)。

保藏中心就像一個(gè)微生物“銀行”，將科研中積累的微生物資源收集保存，并提供給研究者深入研究生物學(xué)特征、代謝途徑及其基因功能?！霸诒２氐幕A(chǔ)上共享，實(shí)現(xiàn)微生物資源的可持續(xù)利用，這樣國(guó)家的前期投入可為后續(xù)研究奠定基礎(chǔ)，這也是國(guó)家成立這樣非營(yíng)利性的公益平臺(tái)的原因。”周宇光說(shuō)。

相關(guān)論文信息：https://doi.org/10.1038/s41396-020-00891-w



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