2月28日，國際微生物學(xué)期刊mBio報道了中科院海洋所孫超岷課題組關(guān)于深海難培養(yǎng)微生物-綠彎菌門（Chloroflexi）細菌純培養(yǎng)及其通過光合作用獲取光能的特殊能量代謝方式的研究成果，為突破深海難培養(yǎng)微生物的培養(yǎng)瓶頸提供了有效手段，也為深入了解深海重要微生物類群的特殊生命過程提供了研究材料。
綠彎菌門，以前被稱為“綠色非硫細菌”，是細菌域中一個多樣性較高的類群。綠彎菌門的成員廣泛分布在海洋生態(tài)系統(tǒng)中，且豐度非常高，但深海生境中被培養(yǎng)的類群屈指可數(shù)，屬于典型的難培養(yǎng)微生物，其生物學(xué)特性在國內(nèi)外基本處于空白。目前，綠彎菌門成員分為9個綱 （包括 14個目，19個科，34個屬，56個種），其中有些綱僅含有1個物種，這表明綠彎菌門的大多數(shù)成員尚未獲得純培養(yǎng)，亟需建立創(chuàng)新型分離培養(yǎng)手段獲取更多的綠彎菌。
孫超岷研究團隊通過在基礎(chǔ)培養(yǎng)基中添加利福平的方法富集培養(yǎng)了一批綠彎菌，通過不斷傳代培養(yǎng)，最終獲得了3株綠彎菌純培養(yǎng)。其中，有一株綠彎菌（命名為Phototrophicus methaneseepsis ZRK33）屬于暫定綱 Thermofonsia分支2，該類群被推測可能是一類新型的光合細菌，但因為缺乏純培養(yǎng)菌株一直未被證實。獲得純培養(yǎng)菌株后，研究人員通過16S rRNA基因和基因組進化分析等手段證實該菌株是一個新目分類階元的代表菌株。基因組測序發(fā)現(xiàn)，該深海綠彎菌菌株有完整的光合作用通路，提示其可能有利用光能的潛力。進一步的實驗表明不同光照尤其是紅光能夠促進該菌株的生長，證實了其利用光能的特性。利用轉(zhuǎn)錄組學(xué)手段揭示了在紅光照射條件下，該菌株基因組中與光合作用相關(guān)的一系列關(guān)鍵因子的表達均得到了顯著提升，證實了其通過光合作用方式利用光能。
基于利福平選擇壓力分離到一株深海綠彎菌
新分離的深海綠彎菌是一株新目分類階元的代表菌株
作為深海微生物，這株綠彎菌是否在深海生境也能進行光合作用呢？研究人員通過“科學(xué)”號的先進裝置在深海原位培養(yǎng)該綠彎菌10天，并結(jié)合轉(zhuǎn)錄組學(xué)手段證實了該菌株的確在深海生境也能夠進行光合作用。而且，通過宏基因組手段證實含有光合作用通路的綠彎菌在深海熱液和冷泉廣泛分布，表明深海綠彎菌是一類重要的光能利用類群。
綠彎菌新類群在實驗室和深海原位具有典型光合微生物特性
具有光合特性的綠彎菌在深海冷泉和熱液生境廣泛分布
孫超岷團隊近年來陸續(xù)發(fā)現(xiàn)了通過礦物質(zhì)(Environmental microbiology, 2021)、光敏蛋白(Environmental microbiology, 2021)及光受體蛋白(mSystems, 2022)利用光能的非光合細菌，這株光合綠彎菌的發(fā)現(xiàn)也為深海光合微生物的存在提供了實證。越來越多的證據(jù)表明，不僅深海熱液區(qū)，其它深海生境（如冷泉）也存在不同形式的地質(zhì)光或生物發(fā)光（有接近80%的深海動物能夠發(fā)光）。因此，在未來的研究中應(yīng)該培養(yǎng)更多能利用光能的深海微生物，解析其光能利用機制，發(fā)現(xiàn)新型光能利用通路，評估微生物介導(dǎo)的光能代謝在深海能量循環(huán)中的貢獻。
實驗海洋生物學(xué)重點實驗室鄭日寬博士為第一作者，孫超岷研究員為通訊作者。研究得到了中科院戰(zhàn)略先導(dǎo)專項、大洋協(xié)會“深海生物資源計劃”及中科院海洋大科學(xué)研究中心前沿部署項目等聯(lián)合資助。
相關(guān)論文：
Rikuan Zheng, Ruining Cai, Chong Wang, Rui Liu, Chaomin Sun*. Characterization of the first cultured representative of Candidatus Thermofonsia Clade 2 within Chloroflexi reveals its phototrophic lifestyle. mBio, 2022, 13(2): e00287-22. Doi: 10.1128/mbio.00287-22.
