我校深淵團隊與合作者在科學子刊發文揭示微生物群落動态代謝過程

近日，美國科學雜志旗下權威學術期刊《Science Advances》在線刊登了我校海洋科學學院吳偉超研究員及其合作者關于土壤微生物群落原位代謝和碳利用效率多樣性的研究論文“In Situ Diversity of Metabolism and Carbon Use Efficiency among Soil Bacteria”。

微生物代謝組學的研究表明：在複雜環境下，微生物群落的代謝方式和碳利用效率應當呈現多樣化特征，且微生物的表型特征（真實代謝過程）容易受環境因素的影響。然而由于缺少原位代謝途徑适用的研究方法，複雜環境中微生物群落（甚至個體間）的原位代謝途徑一直是該領域的瓶頸。微生物代謝流是一種廣泛應用于代謝工程、人類疾病診斷、藥物開發等領域的技術。通過評估微生物代謝網絡上的代謝流/碳通量，旨在提高對微生物胞内動态代謝過程的理解，從而進一步理解微生物環境表型特征。吳偉超研究員在2020年開發了基于經典生物地球化學信息指标——磷脂脂肪酸（PLFA）的微生物代謝流評估模型，為實現微生物群落組間甚至個體的代謝流評估提供了新的研究思路，成果發表在自然指數期刊Geochimica et Cosmochimica Acta（Wu et al., 2020）。為進一步擴展該方法到真實的環境樣品，吳偉超研究員和來自德國哥廷根大學、德國圖靈根大學、美國北亞利桑那大學和中科院昆明植物所的研究人員進行合作，研究了土壤環境中微生物群落的代謝流取得了突破性發現：1）提供了實測證據來支持環境微生物群落内部多樣化的代謝途徑，值得關注的是土壤微生物群落組間在代謝流模式上存在明顯差異。2）在群落水平上，微生物以戊糖磷酸途徑（PP）為主利用葡萄糖，這與目前對于純種微生物和基因組學的調查結果不一緻——微生物以糖酵解途徑（EMP）為主。論文推測可能是因為PP是一種重要的還原性輔酶II（NADPH）的途徑，較活躍的PP有助于微生物适應陸地的氧化環境。3）這種多樣化的代謝流方式進而導緻了微生物多樣化的碳利用效率，對于理解微生物的固碳方式有重要的指導意義（見圖1）。

圖1. 環境微生物生物地球化學碳循環的舊與新視角。ED途徑指的是Entner-Doudoroff途徑，又稱2-酮-3-脫氧-6-磷酸葡糖酸途徑（KDPG）。

本論文主要針對土壤微生物開展的工作，但由于磷脂脂肪酸（PLFA）也是海洋微生物重要的生物标志物，因此基于PLFA的微生物代謝流技術對于研究海洋微生物的動态代謝和碳利用過程同樣極具潛力，這将為我校極端海洋過程與資源的特色領域研究打開了一個新的窗口。吳偉超研究員為論文第一作者兼通訊作者，研究得到中國自然基金委青年基金項目（42106046）、歐盟“地平線2020”計劃瑪麗居裡項目（840240）和德國自然基金重點項目（DI 2136/17-1）的資助。

文章鍊接https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abq3958