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自然资源部第三海洋研究所等在深海冷泉微生物天然产物研究取得新进展
访问数量:511发布时间:2024-05-10

近日,自然资源部第三海洋研究所董西洋研究员课题组等在Science Advances发表了题为“A vast repertoire of secondary metabolites potentially influences community dynamics and biogeochemical processes in cold seeps”的研究论文。该研究深入探讨了深海冷泉微生物产生次级代谢产物的潜力,并分析了这些产物对冷泉微生物群落动态和生物地球化学过程的潜在影响。




深海冷泉通常位于大陆架边缘,主要由甲烷等烃类化合物组成的流体通过海底断层或裂缝等特定通道从沉积层喷涌或渗漏而形成。与依赖光合作用的生态系统不同,冷泉生态系统的初级生产力主要来源于微生物通过化能合成作用利用烃类化合物和无机物,使得冷泉成为生物量和生物多样性极高的“深海绿洲”。然而,为了在有限的资源和空间中竞争,冷泉微生物必须采取各种策略。其中一个关键策略是通过生物合成基因簇编码合成天然产物,即次级代谢产物。这些产物在化学结构、生物合成途径和生理功能上各不相同,许多具有潜在的药用价值。

为了探究化能合成作用驱动的冷泉深部生物圈中微生物合成次级代谢产物的潜力,并解析这些产物在生态系统中的潜在功能,研究者分析了来自全球9个冷泉区的81个宏基因组、33个宏转录组和7个代谢组。通过宏基因组组装和分箱,获得2479个中、高质量的细菌和古菌基因组。在这些基因组中,一共预测到2865个生物合成基因簇(图1),涉及到11个古菌门和52个细菌门。其中,仅有3个生物合成基因簇与已知参考数据库相匹配;大多数生物合成基因簇由在冷泉甲烷和硫循环中扮演关键角色的细菌和古菌所编码,同时也识别出一些尚未被报道的富含生物合成基因簇的微生物门类(如SZUA-182和Myxococcota等)。这表明冷泉微生物群落蕴藏着极其多样且新颖的生物合成基因簇。


图1 深海冷泉微生物含有多样且新颖的生物合成基因簇


冷泉微生物合成的天然产物对生态系统中的群落动态平衡和生物地球化学过程极为重要。一方面,许多生物合成基因簇负责编码合成具有抗菌活性的化合物,如细菌素和多种类型的多肽,这些化合物可作为宿主微生物的防御手段和微生物群落内部的竞争武器。另一方面,冷泉微生物合成的天然产物能够帮助宿主微生物获取营养物质和介导生物地球化学循环,如膦酸酯、铁载体和抗氧化剂等。这些微生物基因组的生物合成基因簇广泛分布且在原位活跃表达;此外,不同生物合成基因簇的丰度和转录水平与沉积物的深度及具体位置有关。进一步的沉积物代谢组学分析也证实了多种次级代谢产物的存在,且其中大多数产物不能通过和现有数据库比对鉴定出来(图2)。这些发现不仅证实了冷泉生境中生物合成基因簇的活跃性,还突显了冷泉微生物的化学合成潜力尚未被充分挖掘。


图2 深海冷泉沉积物代谢组中的潜在天然产物


总的来说,这些研究结果揭示了冷泉沉积物作为天然产物的重要储库具有巨大潜力,同时阐释了化能合成生态系统中微生物的适应机制。此外,这些天然产物构成了一个潜在的“蓝色药库”,为新药开发提供了宝贵的资源。

董西洋研究员和上海交通大学硕士生张田雪钰为论文共同第一作者。董西洋研究员、夏金梅副研究员和邵宗泽研究员为论文共同通讯作者,上海海洋大学吴伟超研究员为冷泉沉积物的代谢组分析做出了重要的贡献。其他参与者包括彭用一、刘心悦、韩迎春、陈向威、高志增和Chris Greening等。本研究受到福建省自然科学基金、自然资源部第三海洋研究基本科研业务费、同济大学海洋地质国家重点实验室开放基金以及中国博士后科学基金等项目资助。

 

论文链接:

https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adl2281


本文来源:自然资源部第三海洋研究所

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