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微生物驱动的海洋弱光层颗粒有机物再矿化的关键过程与调控机制

2021/09/30点击次数:

近日,近海海洋环境科学国家重点实验室博士生孔玲芬、华大基因何燕斌为共同第一作者,实验室王大志教授、华大基因刘斯奇教授为共同通讯作者在Applied and Environmental Microbiology期刊上发表了题为“Illuminating key microbial players and metabolic processes involved in the remineralization of particulate organic carbon in the ocean’s twilight zone by metaproteomics”最新研究成果,提出了微生物驱动海洋弱光层颗粒有机物再矿化的机制概念图。

颗粒有机物(particulate organic matter,POM)是海洋生物泵的主体,调控着海-气界面的碳通量。通过生物泵作用,浮游植物固定的CO2即POM绝大部分通过微生物的再矿化作用返回到大气中,或以溶解有机物形式储存于海洋中,小部分沉降至深海,从而调节着海洋碳循环和全球气候。弱光层(twilight)是指从海洋真光层底部(通常在100米左右)到1,000米的区域,是有机物降解和转化最活跃的区域。70%以上的POM在该水层被微生物降解和利用,直接调控着海洋封存碳的效率和储量,被称为海洋碳循环的调节阀(Gate);另一方面,有机物的降解、转化在海洋弱光层中比在真光层中具有更好的平衡性,因而开展弱光层有机物再矿化关键过程和调控机制的研究非常重要且非常必要。

本论文以寡营养的西北太平洋为目标研究区域,在三个环境因子差异显著的站位采集了弱光层(200 m和500 m)的POM样品,整合宏蛋白质组学和16S rRNA测序技术以及生物信息学方法,对POM中蛋白质的组成、功能和来源进行了研究。

该研究结果显示,西北太平洋三个不同生境弱光层中的微生物群落结构差异显著,但其功能大类组成较为相近。其中,参与POM再矿化的关键微生物类群主要来自交替单胞菌目、红杆菌目和肠杆菌目。三类微生物类群通过分泌大量的胞外蛋白酶和水解酶将POM降解为溶解态POM或者直接降解为DOM,将可利用的有机物转运到细胞内,再进一步通过呼吸作用等过程将其分解并利用。交替单胞菌目和红杆菌目在底物利用方面表现出营养互补机制,导致弱光层中较高的POM再矿化效率。温度通过影响微生物种群结构及其代谢过程调控着POM的再矿化效率。温度较低的区域中,肠杆菌目替代交替单胞菌目成为优势物种,但其对颗粒有机氮的降解利用能力要弱于交替单胞菌目,从而影响了POM的再矿化效率。

微生物驱动海洋弱光层颗粒有机物再矿化的机制概念图

该研究由王大志教授领衔的环境微生物组学研究团队主导,联合华大基因、美国俄克拉荷马大学和美国马里兰大学等合作者,在国际弱光层有机物生物地球化学研究领域上取得的首个宏蛋白质组学研究成果,提出了微生物驱动弱光层颗粒有机物再矿化机制的新认识。该项目获得了国家自然科学基金杰出青年基金项目(41425021)、科技部国家重点基础研究发展计划(973计划)项目(2015CB954003)、中组部“万人计划”项目等资助。


论文来源:

Kong L-F#, He Y-B#, Xie Z-X, Luo X, Zhang H, Yi S-H, Lin Z-L, Zhang S-F, Yan K-Q, Xu H-K, Jin T, Lin L, Qin W, Chen F, Liu S-Q*, Wang D-Z*. Illuminating Key Microbial Players and Metabolic Processes Involved in the Remineralization of Particulate Organic Carbon in the Ocean's Twilight Zone by Metaproteomics. Applied and Environmental Microbiology, 2021, 00986-00921.


论文链接:

https://doi.org/10.1128/AEM.00986-21