解析海洋沉积物 “功臣”：脱硫杆菌科的代谢奥秘

为探究脱硫杆菌科（Desulfobacteraceae）在海洋碳 / 硫循环中的作用，研究人员开展多组学分析，揭示其代谢机制，意义重大。

　　

在神秘的海洋世界里，海洋沉积物就像一个巨大的 “生态工厂”，其中活跃着无数微小的生命，对地球的元素循环起着至关重要的作用。硫酸盐还原菌（Sulfate-reducing bacteria，SRB）便是这个 “工厂” 中的重要成员，它们通过将有机碳氧化与硫酸盐还原为硫化物的过程（异化硫酸盐还原），巧妙地将碳循环和硫循环紧密联系在一起。在全球海洋环境中，由于海水中硫酸盐浓度极高，这一过程显得尤为关键。特别是在大陆边缘、沿海区域和陆架沉积物中，大量的有机物输入使得这里成为硫酸盐还原的活跃地带，超过 50% 的有机物矿化在沉积物上层完成，且与硫酸盐还原密切相关。另外，上升流区域富含的有机碳会在水体中形成氧最小区，SRB 在其中参与碳周转和隐蔽的硫循环。

据估算，全球通过硫酸盐还原氧化的碳通量占到达海底总碳通量的 12% - 29%，若考虑硫酸盐还原速率以及再氧化和隐蔽硫循环等因素，这一比例会更高，达到约 77 Tmol C_org年^?1 。如此高效的碳矿化过程，主要归功于能够将有机物完全氧化为 CO₂的 SRB。而脱硫杆菌科（Desulfobacteraceae），作为这类 SRB 的代表，成功解决了之前研究中发现的生物地球化学悖论，即一些常见的 SRB（如脱硫弧菌科 Desulfovibrionaceae）只能将有机底物不完全氧化为乙酸盐，无法实现如此高的碳周转效率。脱硫杆菌科成员 “本领高强”，它们能利用多种有机底物，从简单的小分子到复杂的长链脂肪酸和芳香化合物，甚至包括难以降解的烃类化合物。

然而，尽管脱硫杆菌科在海洋碳 / 硫循环中扮演着如此重要的角色，但其在热力学极限下的生态生理功能背后的分解代谢 / 调控网络却几乎不为人知。为了揭开这个神秘的面纱，来自国外的研究人员开展了深入研究，相关成果发表在《SCIENCE ADVANCES》上。

研究人员为了全面了解脱硫杆菌科在海洋碳 / 硫循环中的作用，首先进行了基于文献的荟萃分析，以获取该科在全球的生物地理学分布情况。随后，他们挑选了 6 种脱硫杆菌科成员，开展了比较蛋白质组学和基因组学分析。这些菌株的选择充分考虑了该科的代谢多样性、系统发育关系以及生活方式等因素。其中，可变脱硫球菌（Desulfosarcina variabilis）3be13 是一种代谢非常多样的菌株，研究人员对其进行了基因组测序，并测定了 29 种底物条件下的蛋白质组。综合 6 个菌株在 80 种不同底物条件下的实验数据，研究人员得以深入探究蛋白质组（包括组成型和底物特异性形成的亚蛋白质组）、转运蛋白组（跨膜转运系统的整体）以及硫酸盐摄取调控的共性，还构建了分解代谢元网络。最后，研究人员发现元网络中关键途径的编码基因在 43 个脱硫杆菌科参考基因组中广泛存在，并且在不同地理位置和地球化学特征的海洋沉积物宏基因组中也能检测到。

在研究过程中，研究人员用到了多种关键技术方法。在生物地理学分析方面，通过系统地从大量文献中提取地理和理化参数，并利用相关算法对样本位点进行聚类分析。在基因组学研究中，进行 DNA 测序、组装和注释，运用多种生物信息学工具预测基因和分析基因组特征。蛋白质组学研究则采用了 2D DIGE、MALDI-TOF-MS/MS 等技术分析可溶性蛋白，同时对膜蛋白富集组分进行相关分析，还运用了 Shotgun 蛋白质组学分析方法。

下面来看看具体的研究结果：

• 脱硫杆菌科的生物地理学：研究人员通过文献综述，分析了脱硫杆菌科多个属的全球分布、环境背景和栖息地条件。发现其分布广泛，从北极到南极都有它们的踪迹。海洋是其最重要的栖息地，其中深海和陆架沉积物中尤为常见，但在非海洋栖息地（主要是淡水沉积物）也有存在，这表明它们在全球元素循环中具有重要意义。在大多数采样点，脱硫球菌 / 脱硫弧菌（Desulfosarcina/Desulfococcus）组在 SRB 群落中占主导地位。

• 塑造脱硫杆菌科的基因组特征：比较基因组分析显示，脱硫杆菌科的基因组平均大小为 5.6 Mbp，大于其他分析的 SRB（平均 4.2 Mbp）以及一般细菌基因组（平均 3.6 Mbp）。其基因组可塑性较高，含有大量的可移动遗传元件、CRISPR-Cas 位点和噬菌体相关基因。通过主成分分析（PCA）发现，脱硫杆菌科在能量代谢、信号转导和脂质代谢等功能类别上与其他 SRB 存在明显差异。对 43 个脱硫杆菌科基因组的 t - 分布随机邻域嵌入（t-SNE）分析，将它们分为 7 个不同的簇，其中一些簇呈现出属特异性特征。

• 脱硫杆菌科的核心 / 泛基因组：基于 43 个参考基因组，确定了脱硫杆菌科的核心基因组，仅占总泛基因组的 4%，包含 713 个直系同源群簇，主要提供细胞基本功能、异化硫酸盐还原、ATP 合成酶以及中心代谢相关的酶等。核心基因组中还有许多功能未知的蛋白质和调节蛋白。脱硫杆菌科典型的完全氧化能力并非由核心基因组明确赋予，因为不同成员实现完全氧化的途径不同，如大多数成员通过 Wood-Ljungdahl 途径（WLP），而脱硫杆菌属（Desulfobacter）则通过三羧酸（TCA）循环。

• 6 种代表性脱硫杆菌科成员的蛋白质组数据集：研究人员对 6 种脱硫杆菌科成员在 35 种不同底物适应条件下进行了蛋白质组分析，共产生 80 个不同的蛋白质组数据集。结果发现，蛋白质丰度在不同底物条件下呈现出相似的分布模式，多数蛋白质丰度在不同底物条件下变化不大，代表了一般的细胞和代谢功能；只有少数蛋白质丰度变化较大，反映了对特定底物的适应。菌株对蛋白质组丰富度的影响大于底物，可变脱硫球菌（Ds. variabilis）3be13 产生的蛋白质多样性最高，而两种脱硫线菌属（Desulfonema）物种产生的最少。

• 蛋白质组塑造的决定因素：通过分析蛋白质丰度的标准差，发现所有菌株中绝大多数蛋白质在不同底物条件下的丰度差异不大，而少数高度差异表达的蛋白质反映了对测试底物的特定适应。所有菌株的蛋白质丰度分布都呈现出单峰形状，且近似于对数正态分布，这表明 6 个菌株的蛋白质组预算较为一致。

• 组成型与底物特异性亚蛋白质组：定义了菌株特异性的组成型蛋白质组，即所有研究生长条件下共有的蛋白质集合。6 个菌株的组成型蛋白质组包含的蛋白质数量不同，但它们在细胞蛋白质含量中占主导地位。组成型蛋白质组主要与能量代谢、碳水化合物代谢和氨基酸代谢等相关，还包含脱硫杆菌科典型的代谢模块，如异化硫酸盐还原途径和 WLP。非组成型蛋白质组则更多样化，但在细胞蛋白质含量中占比较小。对非组成型蛋白质组中参与外周降解途径的蛋白质分析发现，不同菌株在利用这些途径时，相关蛋白质的平均丰度最大值相似，但调控的严格程度存在差异。

• 分解代谢元网络：研究人员重建了可变脱硫球菌（Ds. variabilis）3be13 的分解代谢网络，并与其他 5 个菌株的网络进行整合，构建了包含 319 种不同蛋白质的元网络。该元网络的降解部分能够容纳 35 种底物，具有高度模块化的特点，解释了底物的多样性，同时存在一些中心模块（如苯甲酰辅酶 A 途径和 WLP）。能量代谢部分多层级，包含一般和特殊功能，展示了对海洋硫循环的贡献。通过对蛋白质组数据的聚类分析，发现分解代谢网络的模块性与蛋白质分组之间存在很强的相关性，这表明脱硫杆菌科成员之间的调控系统高度保守。

• 转运蛋白互补：脱硫杆菌科具有广泛的底物利用能力，其转运蛋白组也与之匹配。研究发现，6 个菌株编码的转运系统数量较多，主要为次级载体和主动转运蛋白。氨基酸是主要的转运溶质，其次是药物、无机阴离子（主要是硫酸盐和磷酸盐）、无机阳离子（主要是质子和钠）以及未知化合物。底物特异性的摄取系统用于转运外周降解模块的底物，而一般底物（如硫酸盐）则通过组成型合成的转运蛋白进入细胞。

• 硫酸盐摄取及其在 SRB 中的调控：研究人员在可变脱硫球菌（Ds. variabilis）3be13 基因组中鉴定出编码 DASS 型硫酸盐转运蛋白和众多双组分系统（TCSs）以及 CBS 结构域蛋白的基因簇，相关基因簇在其他脱硫弧菌属（Desulfosarcina）、脱硫杆菌科成员以及部分其他 SRB 中也存在。另外，还发现了编码 SulP 转运蛋白的基因簇，同样广泛存在于脱硫杆菌科中。基于这些发现，研究人员推测了 SRB 中可能存在的精细调控硫酸盐摄取的机制，这种调控机制可能有助于提高能量产量，是脱硫杆菌科在环境中成功生存的重要因素。

• 脱硫杆菌科特征性 “分解代谢” 基因在海洋沉积物中普遍存在：研究人员定义了一组脱硫杆菌科特征性 “分解代谢” 基因，并在多种不同类型的海洋沉积物宏基因组中检测到这些基因的存在，包括上升流系统、分层缺氧水体下、富含有机物的河口、冷泉区和深海热液区等。这些发现进一步证实了脱硫杆菌科在不同地理和地球化学环境的海洋沉积物中对碳矿化的重要代谢贡献。在不同的海洋沉积物中，脱硫杆菌目（Desulfobacterales）成员的相对丰度有所不同，且与其他微生物类群共同构成了复杂的微生物群落。

研究结论和讨论部分指出，该研究通过蛋白质组学和基因组学分析，揭示了脱硫杆菌科在海洋沉积物碳 / 硫循环中的代谢基础。研究确定了两个家族定义的代谢关键特性，即底物降解与电子转移和硫酸盐还原的耦合，以及特定的分解代谢网络架构，这些特性有助于它们在热力学极限下高效利用多种底物，实现环境适应和成功生存。构建的元网络展示了菌株间共享和特异的降解能力，脱硫杆菌科的基因组丰富度和调控能力对其环境功能和分布具有重要影响。这些研究结果为未来研究提供了重要的参考，有助于进一步研究 SRB 在自然和技术环境中的功能，如在海洋生态系统中对溶解有机物（DOM）的影响、与其他生物的共生关系，以及对技术设施的影响等。