海洋上层浮游生物中潜在藻酸盐裂解酶的探秘之旅

为揭示海洋环境中藻酸盐同化的关键因素，研究人员分析相关微生物群落，发现多种酶的多样性及环境驱动因素，意义重大。

　　

海洋中藻酸盐裂解酶的神秘面纱：探索与发现

在广袤无垠的海洋中，棕色藻类（Phaeophyceae）如同隐藏在蓝色世界里的 “生态建筑师”，它们不仅在沿海地区构建起庞大的 “森林”，为无数生物提供栖息之所，还在海洋碳循环中扮演着举足轻重的角色。其细胞壁中富含的藻酸盐（alginate），作为一种酸性多糖，是海洋碳库的重要组成部分。然而，长期以来，海洋中能够降解藻酸盐的酶 —— 藻酸盐裂解酶（alginate lyases）和寡藻酸盐裂解酶（oligoalginate lyases），却一直蒙着神秘的面纱。虽然这些酶对于海洋碳循环至关重要，但它们的多样性、分布规律以及在不同海洋环境中的作用，科学界知之甚少。为了填补这些知识空白，来自阿根廷国家研究委员会（CONICET）下属研究机构的 Mariana Lozada 和 Hebe M. Dionisi 等研究人员，开展了一项极具意义的研究，相关成果发表在《Scientific Reports》上。

研究方法：多技术联用，解锁酶的奥秘

研究人员巧妙地运用多种先进技术，深入探究海洋中潜在藻酸盐裂解酶的奥秘。他们依托海洋基因图谱 2.0 网络服务器（Ocean Gene Atlas 2.0 web server，OGA），利用隐马尔可夫模型（Hidden Markov Models，HMMs），在海量的基因数据中搜索与藻酸盐降解酶相关的序列。为了进一步明确这些序列与已知碳水化合物活性酶（Carbohydrate - Active Enzyme，CAZy）数据库中成员的关系，构建了序列相似性网络（Sequence Similarity Networks，SSNs） 。此外，借助三维建模和结构分析技术，研究人员对不同序列的结构进行预测和比较，从分子层面揭示酶的特征。在分析基因和转录本丰度时，运用了归一化处理和统计分析方法，以探究它们在不同海洋区域和深度的分布规律以及与环境因素的相关性。

研究结果：酶的多样性、分布及环境关联

1. 序列鉴定与多样性分析：研究人员在庞大的原核生物富集参考目录中，成功鉴定出 2734 条潜在的藻酸盐裂解酶序列。通过 SSNs 分析发现，不同家族的酶序列与 CAZy 数据库成员的聚类情况各异。例如，PL5 和 PL38 家族虽都具有(α/α)n?桶状折叠结构，但它们的 E 值分布、序列相似性网络聚类以及分类学多样性存在明显差异。PL5 家族多数序列与已知成员相似度较低，而 PL38 家族同源序列的进化距离相对更近，且涵盖细菌和真核生物等多种分类群12。
2. 不同家族酶的特征与分类学分布：在对各个家族的深入研究中，发现不同家族的酶呈现出独特的特征。如 PL6 家族中，多数同源序列与未分配亚家族（PL6_NSF）及部分亚家族成员聚类，且在分类学上主要分布于黄杆菌纲（Flavobacteriia）和 γ - 变形菌纲（Gammaproteobacteria）。PL7 家族中，大部分序列位于特定聚类，其中黄杆菌纲和 γ - 变形菌纲的细菌占主导。这些结果表明，不同家族的藻酸盐裂解酶在分类学上具有特定的分布模式34。
3. 基因和转录本的相对丰度及地理分布：研究人员对与同一家族成员聚类的同源序列进行分析，发现 PL5、PL6、PL7、PL17 和 PL38 家族的基因和转录本相对丰度较高。其中，PL5 家族在海洋表层（SRF）和深层叶绿素最大值层（DCM）的基因丰度显著高于中层（MES）。PL38 家族虽然基因丰度较低，但分类学多样性高，且在高纬度地区，真核生物来源的 PL38 同源序列转录水平极高。这些结果揭示了不同家族酶在海洋中的分布规律和表达差异56。
4. 环境因素对酶分布的影响：通过非度量多维缩放（NMDS）分析，研究人员发现温度是影响携带藻酸盐裂解酶基因微生物种群结构的关键因素。此外，无机磷酸盐（Pi）浓度、深度、溶解氧（O2?）、纬度和总碳（total C）等环境变量，也与基因和转录本丰度存在显著相关性。例如，PL5 家族中，与 “Candidatus Pelagibacter” 相关的序列，其基因和转录本丰度与温度和 Pi 浓度密切相关，在低 Pi 浓度环境下，这些细菌种群似乎更具优势78。

研究结论与意义：照亮海洋生物地球化学研究之路

这项研究成功揭示了全球海洋上层浮游生物群落中潜在藻酸盐裂解酶的序列空间、结构多样性、分类学分布以及环境驱动因素。研究发现的多种酶的多样性及分布规律，为理解海洋碳循环中藻酸盐的降解过程提供了关键信息。通过明确环境因素对酶基因和转录本丰度的影响，有助于深入了解微生物在海洋生态系统中的功能和适应性。然而，研究也存在一定的局限性，如部分家族酶的底物偏好尚未明确。未来的研究可以在此基础上，进一步探索这些酶的底物特异性，明确其在不同生理过程中的作用，为海洋生物地球化学研究和生物技术应用提供更坚实的理论基础。