海洋所发现并培养一种能进行光合作用的深海绿弯菌新类群
时间 : 2022-03-08     

2月28日,国际微生物学期刊mBio报道了中科院海洋所孙超岷课题组关于深海难培养微生物-绿弯菌门(Chloroflexi)细菌纯培养及其通过光合作用获取光能的特殊能量代谢方式的研究成果,为突破深海难培养微生物的培养瓶颈提供了有效手段,也为深入了解深海重要微生物类群的特殊生命过程提供了研究材料。  

绿弯菌门,以前被称为“绿色非硫细菌”,是细菌域中一个多样性较高的类群。绿弯菌门的成员广泛分布在海洋生态系统中,且丰度非常高,但深海生境中被培养的类群屈指可数,属于典型的难培养微生物,其生物学特性在国内外基本处于空白。目前,绿弯菌门成员分为9个纲 (包括 14个目,19个科,34个属,56个种),其中有些纲仅含有1个物种,这表明绿弯菌门的大多数成员尚未获得纯培养,亟需建立创新型分离培养手段获取更多的绿弯菌。  

孙超岷研究团队通过在基础培养基中添加利福平的方法富集培养了一批绿弯菌,通过不断传代培养,最终获得了3株绿弯菌纯培养。其中,有一株绿弯菌(命名为Phototrophicus methaneseepsis ZRK33)属于暂定纲 Thermofonsia分支2,该类群被推测可能是一类新型的光合细菌,但因为缺乏纯培养菌株一直未被证实。获得纯培养菌株后,研究人员通过16S rRNA基因和基因组进化分析等手段证实该菌株是一个新目分类阶元的代表菌株。基因组测序发现,该深海绿弯菌菌株有完整的光合作用通路,提示其可能有利用光能的潜力。进一步的实验表明不同光照尤其是红光能够促进该菌株的生长,证实了其利用光能的特性。利用转录组学手段揭示了在红光照射条件下,该菌株基因组中与光合作用相关的一系列关键因子的表达均得到了显著提升,证实了其通过光合作用方式利用光能。

  
 
基于利福平选择压力分离到一株深海绿弯菌 
 
新分离的深海绿弯菌是一株新目分类阶元的代表菌株 

作为深海微生物,这株绿弯菌是否在深海生境也能进行光合作用呢?研究人员通过“科学”号的先进装置在深海原位培养该绿弯菌10天,并结合转录组学手段证实了该菌株的确在深海生境也能够进行光合作用。而且,通过宏基因组手段证实含有光合作用通路的绿弯菌在深海热液和冷泉广泛分布,表明深海绿弯菌是一类重要的光能利用类群。

  
 
绿弯菌新类群在实验室和深海原位具有典型光合微生物特性 
 
具有光合特性的绿弯菌在深海冷泉和热液生境广泛分布 

孙超岷团队近年来陆续发现了通过矿物质(Environmental microbiology, 2021)、光敏蛋白(Environmental microbiology, 2021)及光受体蛋白(mSystems, 2022)利用光能的非光合细菌,这株光合绿弯菌的发现也为深海光合微生物的存在提供了实证。越来越多的证据表明,不仅深海热液区,其它深海生境(如冷泉)也存在不同形式的地质光或生物发光(有接近80%的深海动物能够发光)。因此,在未来的研究中应该培养更多能利用光能的深海微生物,解析其光能利用机制,发现新型光能利用通路,评估微生物介导的光能代谢在深海能量循环中的贡献。  

实验海洋生物学重点实验室郑日宽博士为第一作者,孙超岷研究员为通讯作者。研究得到了中科院战略先导专项、大洋协会“深海生物资源计划”及中科院海洋大科学研究中心前沿部署项目等联合资助。 

(本文来源于海洋所官网,“科学”号信息员封婧编辑提供)