PNAS丨郑日宽等揭示多聚磷酸盐调控深海产甲烷古菌生长和产甲烷新机制

深海冷泉生态系统是地球上独特的“暗黑绿洲”，其中甲烷厌氧氧化过程（AOM）是调节全球甲烷收支平衡的关键环节【1,2】。在该过程中，产甲烷古菌和甲烷厌氧氧化古菌发挥着核心作用。磷（P）是生命必需的元素，在深海寡营养环境中，磷的有效性极为有限，但其如何影响深海产甲烷古菌的生长和代谢，尤其是多聚磷酸盐（polyP）在这一过程中的作用，尚不清楚。

多聚磷酸盐是一种由3至上千个正磷酸残基通过高能磷酸酐键连接而成的线性聚合物，广泛存在于从细菌到哺乳动物的所有生物中，在能量储存、磷酸盐稳态、胁迫响应等多种生理过程中发挥关键作用【3,4】。然而，多聚磷酸盐在产甲烷古菌中的生理功能及其与甲烷代谢的关联，长期以来研究甚少。

近日，中国科学院海洋研究所孙超岷研究员团队在PNAS上发表了题为 Polyphosphate affects the growth and methanogenesis of deep-sea methanogenic archaea 的研究论文。该研究通过对分离自深海冷泉及海山生境的8株产甲烷古菌的系统分析，揭示了多聚磷酸盐代谢与深海产甲烷古菌生长及甲烷产生之间的耦合机制，并发现这些古菌具有利用有机磷源补充磷元素并驱动polyP合成的独特能力。这项研究为理解深海产甲烷古菌在寡营养环境中的生存策略提供了新视角。

研究团队首先从南海多个冷泉和海山沉积物中成功分离并纯化了8株产甲烷古菌，经16S rRNA基因和基因组系统发育分析，均归属于 Methanobolus 属。透射电镜观察发现，这些菌株的细胞内普遍存在大量电子致密颗粒，后续通过能谱分析、DAPI染色及核磁共振等技术确认为多聚磷酸盐颗粒。其中，菌株ZRKC1生长和产甲烷速率最高，被选为后续研究的模式菌株。生长动力学分析显示，ZRKC1在生长过程中会持续消耗培养基中的无机磷，并将其转化为细胞内多聚磷酸盐，多聚磷酸盐含量与生长曲线呈正相关，表明多聚磷酸盐作为胞内磷库，在磷充足时“储备”磷元素。

为探究多聚磷酸盐代谢的分子基础，研究人员对ZRKC1基因组进行了分析，鉴定出编码多聚磷酸激酶PPK1和PPK2的基因。转录水平分析发现，ppk1在生长过程中持续高表达，而 ppk2则在生长后期才被诱导。利用基因敲除技术，构建了 Δppk1和 Δppk2突变株。表型分析显示， Δppk1突变株几乎完全丧失了多聚磷酸盐合成能力，同时其生长速率、最大生物量和甲烷产量均显著下降，而 Δppk2突变株在多聚磷酸盐合成方面没有明显变化。进一步生化实验证实，PPK1以Mg²⁺依赖的方式催化多聚磷酸盐合成，而PPK2主要发挥多聚磷酸盐水解功能。这些结果表明，PPK1介导的多聚磷酸盐合成是ZRKC1维持正常生长和高效产甲烷所必需的。

在深海寡营养环境中，无机磷往往匮乏。那么ZRKC1如何获得磷源？研究人员发现，当培养基中添加淀粉或壳聚糖等多糖时，ZRKC1的生长和产甲烷能力得到显著增强。进一步分析表明，这些多糖中含有有机磷，而ZRKC1在添加多糖后，其转录组中多个编码磷酸酯酶和磷酸转运系统的基因显著上调。其中，两个磷酸酯酶（V7059_RS02375和V7059_RS09360）被证实能够从淀粉和壳聚糖中释放无机磷。使用磷酸酯酶抑制剂或去除可用的磷源后，ZRKC1无法利用有机磷生长，而补充无机磷则能恢复其生长，证实了ZRKC1通过磷酸酯酶利用环境中的有机磷来满足磷需求的独特策略。

最后，研究人员通过在深海冷泉原位放置培养装置，对回收的ZRKC1细胞进行转录组分析，发现参与磷获取、多聚磷酸盐合成和甲烷代谢的相关基因在原位条件下均呈上调表达，与实验室观察到的转录模式一致，提示上述代谢策略可能在自然环境中确实发挥作用。

综上所述，该研究揭示了深海产甲烷古菌 Methanobolus sp. ZRKC1通过PPK1介导的多聚磷酸盐合成来储存磷和能量，从而支持其生长和甲烷产生；同时，该菌还具备利用环境中广泛存在的有机磷作为磷源的能力，通过诱导表达磷酸酯酶从多糖等有机物中攫取无机磷，进一步驱动多聚磷酸盐合成。这一磷获取和能量储存相偶联的代谢机制，可能是深海产甲烷古菌适应寡营养、高压、低温等极端环境的重要生存策略。

深海产甲烷古菌驱动的碳磷元素循环耦合模型

原文链接： https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2608127123

制版人：十一

参考文献

1. Boetius, A. et al. A marine microbial consortium apparently mediating anaerobic oxidation of methane.Nature407, 623-626 (2000).

2. Suess, E. Marine cold seeps and their manifestations: Geological control, biogeochemical criteria and environmental conditions.Int. J. Earth Sci.103, 1889-1916 (2014).

3. Kornberg, A., Rao, N. N. & Ault-Riche, D. Inorganic polyphosphate: A molecule of many functions.Annu. Rev.Biochem.68, 89-125 (1999).

4. Rao, N. N., Gómez-García, M. R. & Kornberg, A. Inorganic polyphosphate: Essential for growth and survival.Annu. Rev.Biochem.78, 605-647 (2009).

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