海洋所研究发现深海微生物抵御重金属胁迫新机制
时间 : 2020-10-15     

重金属在深海环境中广泛存在,深海微生物进化出了成熟且多样的抵御重金属胁迫的方式以维持在恶劣环境中的生存和繁殖。加强对深海微生物耐受重金属的机制研究有利于从新的视角了解其特殊环境适应机制,同时也为发展去除重金属污染生物制品提供理论依据和候选材料。  

917日和1012日,国际微生物学期刊Environmental Microbiology在线连续刊发了题为“Calcium protects bacteria against cadmium stress via reducing nitric oxide production and increasing iron acquisition”及“MerF is a novel regulator of deep-sea  Pseudomonas stutzeri flagellum biogenesis and motility”的文章,报道了中国科学院海洋研究所孙超岷研究组关于深海冷泉和海山生境细菌应对重金属镉及汞的新机制。 

孙超岷研究组基于“科学”号在深海冷泉、热液及海山等不同生态环境采集的大量样品,分离了许多微生物,其中一株深海冷泉芽孢杆菌在受到因重金属镉存在而产生的大量一氧化氮(NO)活性氧的胁迫时,能够通过吸收钙离子促进铁离子吸收,进而激活NO双加氧酶活性将NO转化为NO3-,随后促进硝酸根还原酶、亚硝酸根还原酶等一系列与氮元素循环相关的关键酶活性,最终巧妙地将NO活性氧压力转化为氮循环的驱动力,从而有效增强细菌应对镉胁迫的能力。值得注意的是,添加钙离子也能同时有效提升细菌耐受其它重金属如铜、铬、锰等金属离子的能力、增加斑马鱼在镉环境中的存活率,说明钙离子增强生物抵御重金属胁迫的能力是普遍存在的。  

另外,在研究一株分离自深海海山环境的细菌转化高毒性汞离子为低毒性单质汞的分子机制过程中,发现该细菌编码的一个汞离子转运蛋白MerF的真正功能是调控细菌鞭毛形成和运动能力,这在所有微生物中都是首次发现。研究人员进一步结合分子遗传、转录组和蛋白组及其他生物化学手段,系统揭示了MerF的作用机制是调控细菌鞭毛形成重要因子FliS的表达,直接作用靶点是fliS基因的启动子。且MerF也能有效提高细菌耐受其它重金属如镉、镍、钴等金属离子的能力,显示其调控功能的普遍性。该研究为了解深海微生物耐受重金属的关键基因的功能演化提供了新的视角和研究材料。  

孙超岷研究组近年来围绕深海微生物耐受重金属胁迫机制进行了系列研究,在前期研究深海热液环境微生物耐受镉胁迫的过程中,发现一株深海热液细菌能有效代谢半胱氨酸形成硫化氢,进而将环境中高毒性的镉离子转化为几乎无毒性的硫化镉矿物质,而且还能利用硫化镉纳米颗粒的光吸收特性吸收环境中存在的光能,也是微生物一种非常独特的抵御并有效利用重金属胁迫的新型机制(Environmental Microbiology2020doi: 10.1111/1462-2920.15205)。综上可见,不同生境的深海微生物已经进化出了多样的策略应对,甚至有效利用环境中存在的重金属危害,相关机制值得进一步深入研究并加以利用,为发展新型生物修复制品提供了新思路。  

上述两篇论文的通讯作者为中科院实验海洋生物学重点实验室孙超岷研究员,第一作者分别为硕士研究生吴作栋和博士研究生郑日宽。相关研究得到了大洋协会“深海生物资源计划”、中科院战略先导专项等项目联合资助。 

本文涉及的研究论文: 

(1) Zuodong Wu, Rikuan Zheng, Ge Liu, Rui Liu, Shimei Wu*, Chaomin Sun *. Calcium protects bacteria against cadmium stress via reducing nitric oxide production and increasing iron acquisition. Environmental Microbiology, 2020, doi: 10.1111/1462-2920.15205https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/32815245/. 

(2) Rikuan Zheng, Shimei Wu, Chaomin Sun*. MerF is a novel regulator of deep-sea Pseudomonas stutzeri flagellum biogenesis and motility. Environmental Microbiology, 2020, doi: 10.1111/EMI.15275 (https://doi.org/10.1111/1462-2920.15275). 

(本文来源于海洋所官网http://www.qdio.cas.cn/2019Ver/News/kyjz/202010/t20201014_5716089.html