微生物与我们的生活息息相关,它们在环境中发挥了重要的作用,驱动了生物地球化学元素循环。微生物无处不在,并能快速地适应各种环境,其适应性机制是进化生物学中关注的核心问题。其中,硫酸盐还原菌(SRB)可利用硫酸盐作为电子受体进行呼吸,驱动自然界中碳、硫和金属元素循环,是一类重要的环境微生物。环境中的硝酸盐升高会抑制SRB的硫酸盐还原从而影响SRB的生长。一些SRB有硝酸盐还原酶使其在硝酸盐压力下具有生存优势,而缺乏硝酸盐还原酶的SRB是如何在硝酸盐压力下生存仍然是个谜。
我实验室海洋生命过程与生物资源利用创新团队为了了解硝酸盐适应机制,将12株模式SRB (Desulfovibrio vulgaris Hildenborough, DvH)在硝酸盐压力下进行长期传代进化获得进化1000代的硝酸盐适应型DvH菌群(EN),分析其生长表型和基因组信息,并联系基因型和表型,阐明其耐受机制。研究人员发现:(1)在12个EN菌群中检测到在44个基因发生119个新的突变;(2)分析突变基因的关联,找到6个功能基因群在群体水平上有高频突变;(3)在硝化应激基因、氮调节蛋白C家族基因和硝酸盐基因簇中检测到了高频的功能缺失突变,并通过基因敲除实验,验证了NRC[MZ1] 和NSR[MZ2] 功能的丧失提高了DvH的硝酸盐耐受性;(4)脂肪酸合成、铁调节和双组分系统(LytR/LytS)有关的功能基因群可响应多种应激反应,其错义突变在EN菌群中出现频率很高;(5)这些突变可通过调节关键能量代谢、阻止硝酸盐进入细胞、改变细胞膜特性或在稳定期赋予生长优势来提高硝酸盐适应性。
该研究对于阐明DvH的压力适应性机制和联系基因型与表现的研究具有重要的意义,并为研究微生物的环境压力适应机制提供了参考,如可帮助阐明全球变暖及环境污染下微生物的压力适应机制;也可以帮助我们了解SRB的重金属压力适应机制以增强其重金属固定化修复的能力。
图1 硝酸盐耐受机制示意图
研究成果于2020年9月在Nature旗下子刊The ISME Journal(影响因子:9.18,2020年中国科学院SCI一区top)上发表,题目为“Experimental evolution reveals nitrate tolerance mechanisms in Desulfovibrio vulgaris”。中山大学环境科学与工程学院吴波副研究员为文章的第一作者,创新团队核心成员贺志理教授和颜庆云教授为文章的共同通讯作者。
该研究得到了ENIGMA-Ecosystems的支持、中国国家自然科学基金的资助(ZH的批准号为31770539和91951207,QY的批准号为31672262)和广东省科技创新专项资金(授予BW的批准号2018A030310302)以及南方海洋实验室创新团队建设科研经费等的支持。
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