重金屬在深海環(huán)境中廣泛存在，深海微生物進(jìn)化出了成熟且多樣的抵御重金屬脅迫的方式以維持在惡劣環(huán)境中的生存和繁殖。加強(qiáng)對深海微生物耐受重金屬的機(jī)制研究有利于從新的視角了解其特殊環(huán)境適應(yīng)機(jī)制，同時也為發(fā)展去除重金屬污染生物制品提供理論依據(jù)和候選材料。
9月17日和10月12日，國際微生物學(xué)期刊Environmental Microbiology在線連續(xù)刊發(fā)了題為“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，報道了中國科學(xué)院海洋研究所孫超岷研究組關(guān)于深海冷泉和海山生境細(xì)菌應(yīng)對重金屬鎘及汞的新機(jī)制。
其中，一株深海冷泉芽孢桿菌在受到因重金屬鎘存在而產(chǎn)生的大量一氧化氮（NO）活性氧的脅迫時，能夠通過吸收鈣離子促進(jìn)鐵離子吸收，進(jìn)而激活NO雙加氧酶活性將NO轉(zhuǎn)化為NO3-，隨后促進(jìn)硝酸根還原酶、亞硝酸根還原酶等一系列與氮元素循環(huán)相關(guān)的關(guān)鍵酶活性，最終巧妙地將NO活性氧壓力轉(zhuǎn)化為氮循環(huán)的驅(qū)動力，從而有效增強(qiáng)細(xì)菌應(yīng)對鎘脅迫的能力。值得注意的是，添加鈣離子也能同時有效提升細(xì)菌耐受其它重金屬如銅、鉻、錳等金屬離子的能力、增加斑馬魚在鎘環(huán)境中的存活率，說明鈣離子增強(qiáng)生物抵御重金屬脅迫的能力是普遍存在的。
另外，在研究一株分離自深海海山環(huán)境的細(xì)菌轉(zhuǎn)化高毒性汞離子為低毒性單質(zhì)汞的分子機(jī)制過程中，發(fā)現(xiàn)該細(xì)菌編碼的一個汞離子轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白MerF的真正功能是調(diào)控細(xì)菌鞭毛形成和運(yùn)動能力，這在所有微生物中都是首次發(fā)現(xiàn)。研究人員進(jìn)一步結(jié)合分子遺傳、轉(zhuǎn)錄組和蛋白組及其他生物化學(xué)手段，系統(tǒng)揭示了MerF的作用機(jī)制是調(diào)控細(xì)菌鞭毛形成重要因子FliS的表達(dá)，直接作用靶點是fliS基因的啟動子。且MerF也能有效提高細(xì)菌耐受其它重金屬如鎘、鎳、鈷等金屬離子的能力，顯示其調(diào)控功能的普遍性。該研究為了解深海微生物耐受重金屬的關(guān)鍵基因的功能演化提供了新的視角和研究材料。
孫超岷研究組近年來圍繞深海微生物耐受重金屬脅迫機(jī)制進(jìn)行了系列研究，在前期研究深海熱液環(huán)境微生物耐受鎘脅迫的過程中，發(fā)現(xiàn)一株深海熱液細(xì)菌能有效代謝半胱氨酸形成硫化氫，進(jìn)而將環(huán)境中高毒性的鎘離子轉(zhuǎn)化為幾乎無毒性的硫化鎘礦物質(zhì)，而且還能利用硫化鎘納米顆粒的光吸收特性吸收環(huán)境中存在的光能，也是微生物一種非常獨特的抵御并有效利用重金屬脅迫的新型機(jī)制（Environmental Microbiology，2020，doi: 10.1111/1462-2920.15205）。綜上可見，不同生境的深海微生物已經(jīng)進(jìn)化出了多樣的策略應(yīng)對，甚至有效利用環(huán)境中存在的重金屬危害，相關(guān)機(jī)制值得進(jìn)一步深入研究并加以利用，為發(fā)展新型生物修復(fù)制品提供了新思路。
上述兩篇論文的通訊作者為中科院實驗海洋生物學(xué)重點實驗室孫超岷研究員，第一作者分別為碩士研究生吳作棟和博士研究生鄭日寬。相關(guān)研究得到了大洋協(xié)會“深海生物資源計劃”、中科院戰(zhàn)略先導(dǎo)專項等項目聯(lián)合資助。
本文涉及的研究論文：
(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: 10.1111/1462-2920.15205（https://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).
