7月20日，國際學(xué)術(shù)期刊mBio刊發(fā)了題為“Deep-sea in situ insights into the formation of zero-valent sulfur driven by a bacterial thiosulfate oxidation pathway”的文章，報(bào)道了中國科學(xué)院海洋研究所孫超岷課題組在深海冷泉原位環(huán)境驗(yàn)證細(xì)菌氧化硫代硫酸鈉形成單質(zhì)硫新型途徑的研究成果，為深海原位研究微生物特殊生命過程提供了可借鑒的手段，也為解釋我國南海冷泉噴口廣泛分布硫單質(zhì)的成因提供了理論證據(jù)。
在前期科考調(diào)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(huán)境中單質(zhì)硫含量豐富，但是形成原因不清晰。孫超岷課題組發(fā)現(xiàn)一株冷泉細(xì)菌Erythrobacter sp. 21-3能基于一條新型硫氧化途徑高效氧化硫代硫酸鈉形成單質(zhì)硫，該新型硫氧化途徑在很多深海微生物中都存在，對深海硫元素循環(huán)有重要貢獻(xiàn)（ISME J, 2020）。但限于各種原因，該硫氧化途徑在深海原位是否發(fā)生一直未得到驗(yàn)證。借助2020年“科學(xué)號”考察船的南海冷泉航次，孫超岷課題組將冷泉細(xì)菌Erythrobacter sp. 21-3及其突變株布放到深海冷泉噴口附近原位培養(yǎng)了10天，收回細(xì)菌培養(yǎng)物后，綜合運(yùn)用拉曼光譜、蛋白組學(xué)、分子生物學(xué)及分子遺傳學(xué)等手段證實(shí)該菌株在深海原位的確能形成硫單質(zhì)，而敲除掉硫氧化途徑中關(guān)鍵基因tsdA(Thiosulfate dehydrogenase)及soxB (Thiosulfohydrolase)后，細(xì)菌形成硫單質(zhì)的能力大幅下降，這與實(shí)驗(yàn)室的研究結(jié)果高度一致。與實(shí)驗(yàn)室結(jié)果不同的是tsdA敲除株在實(shí)驗(yàn)室條件下不能利用硫代硫酸鹽產(chǎn)生單質(zhì)硫，而原位條件下卻能夠產(chǎn)生單質(zhì)硫，經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)該突變株能夠利用深海冷泉廣泛存在的連四硫酸鹽啟動(dòng)上述硫氧化途徑形成單質(zhì)硫；而在實(shí)驗(yàn)室條件下，連四硫酸鹽需要TsdA代謝硫代硫酸鹽形成。上述結(jié)論的差異也提示深海研究工作者需要綜合考慮實(shí)驗(yàn)室和深海原位的條件差異，進(jìn)行更為全面的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證才能真正了解深海微生物的真實(shí)生命過程，這些研究的順利進(jìn)行需要生物、地質(zhì)、物理海洋等多學(xué)科交叉合作才能完成。進(jìn)而，研究人員發(fā)現(xiàn)相比于能夠產(chǎn)生少量單質(zhì)硫的tsdA敲除株，不產(chǎn)生單質(zhì)硫的soxB敲除株下調(diào)的蛋白總體集中在能量的產(chǎn)生及轉(zhuǎn)換通路上。相應(yīng)地，科研人員證實(shí)了E. flavus 21-3在實(shí)驗(yàn)室和深海原位均能夠利用單質(zhì)硫作為營養(yǎng)源進(jìn)行生長。相比之下，原位條件下，E. flavus 21-3的單質(zhì)硫產(chǎn)生途徑對其生長、能量的生成和轉(zhuǎn)化來說意義更為重要。最后，研究人員基于宏基因組測序手段發(fā)現(xiàn)冷泉的在冷泉沉積物硫代謝基因豐度最大的表層，具有新發(fā)現(xiàn)的硫氧化途徑的細(xì)菌基因組約占組裝基因組總數(shù)的25%，認(rèn)為該通路的在冷泉當(dāng)中具有一定的普遍性，推測對于冷泉的硫循環(huán)有重要貢獻(xiàn)。
深海原位實(shí)驗(yàn)流程圖
深海原位驗(yàn)證細(xì)菌基于新型硫氧化途徑產(chǎn)生單質(zhì)硫的過程
蛋白組學(xué)手段研究實(shí)驗(yàn)室及原位條件下細(xì)菌產(chǎn)生單質(zhì)硫的生物學(xué)功能
深海冷泉原位實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)不同深度沉積物宏基因組分析
該研究成果第一作者為實(shí)驗(yàn)海洋生物學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室博士研究生蔡瑞寧，孫超岷研究員為通訊作者。研究得到了青島海洋科學(xué)與技術(shù)試點(diǎn)國家實(shí)驗(yàn)室“十四五”重大項(xiàng)目、中科院戰(zhàn)略先導(dǎo)專項(xiàng)、中國科學(xué)院海洋大科學(xué)研究中心重點(diǎn)部署項(xiàng)目等項(xiàng)目聯(lián)合資助。
相關(guān)論文：Ruining Cai, Wanying He, Rui Liu, Jing Zhang, Xin Zhang, Chaomin Sun*. Deep-sea in situ insights into the formation of zero-valent sulfur driven by a bacterial thiosulfate oxidation pathway. mBio, 2022. Doi: 10.1128/mbio.00143-22.
論文鏈接：https://journals.asm.org/doi/10.1128/mbio.00143-22
