典型海洋浮游异养细菌溶解有机质代谢利用的组学比较研究

Heterotrophic bacterioplankton play critical roles in "microbiological carbon pump" by transporting, assimilating and redistributing dissolved organic matter (DOM) in the oceans. Bacteria with different trophic strategies have distinct characteristics of DOM utilization. Characterizations of bacterial DOM utilization at the molecular level is needed to understand its ecological process and mechanism in ocean carbon cycling. The key genes and proteins are the molecular basis of bacterial DOM utilization. Thus, based on our previous work, this project will focus on genes and proteins from "transportation" and "metabolism" pathways identified by genomic and proteomic technologies. The project aims to characterize metabolisms in oligotrophic and copiotrophic bacteria and to investigate the metaproteomic in organic matter utilization in heterotrophic bacterial community along nearshore/offshore transects. The project provides a new perspective and parameters for the study of bacterial adaptation to the environment, and an important reference for the cutting-edge scientific issue "the biological process and mechanism of microbiological carbon pump". The project intends to address two key scientific issues: 1) the molecular basis of various organic matter metabolic pathways in heterotrophic bacteria, and 2) characterizations and dynamics of bacterial community and their metaproteomic in changing environments. In addition, this project will construct a marine microbial transport protein database.

海洋浮游异养细菌能转运与代谢转化溶解有机质（DOM），它们被认为是"微型生物碳泵"的主角。异养细菌具有不同营养策略，利用DOM各有特点。要确立异养细菌海洋碳循环相关生态过程与机制还须明晰其代谢利用有机质的微观过程。关键基因和蛋白可以表征细菌代谢利用DOM过程。因此，本项目将在已有工作基础上，运用基因组学和蛋白质组学等技术，聚焦"转运"与"代谢"过程基因、蛋白，比较寡营养与富营养细菌的代谢特点；并且结合自然海区近岸和外海两种典型环境的现场调查，揭示异养细菌群落有机质代谢的宏蛋白质组。本项目为细菌与环境适应机制的研究提供新视角和新参数，也为前沿科学问题"微型生物碳泵"微观过程与机制研究提供重要参考。本项目拟解决2个关键科学问题：1）典型异养细菌有机质代谢异同的关键分子基础；2）自然海洋环境中细菌群落结构及宏蛋白随环境变化的基本特征。本项目将建立海洋微型生物转运蛋白数据库。

代谢是微生物驱动海洋元素循环的“引擎”。海洋浮游异养细菌能转运与代谢转化溶解有机质（DOM），因而在元素循环中发挥重要作用。异养细菌具有不同营养策略，利用DOM各有特点。要确立异养细菌海洋有机质循环的生态过程与机制还须明晰其代谢微观过程。本项目选取海洋分布广泛的两大异养细菌类群—玫瑰杆菌与黄杆菌作为主要研究对象，结合生理生态培养，运用多组学技术（基因组、转录组、蛋白组与代谢组）聚焦关键代谢基因，揭示细菌的代谢方式和分子途径。本项目首次分离到深海水柱的玫瑰杆菌；分离到来自大洋表层的黄杆菌Gramella flava JLT2011。主要结果与认识包括：1）深海玫瑰杆菌碳代谢分子机制：对分离到的两株近源的深海玫瑰杆菌Thiobacimonas profunda JLT2016和Pelagibaca abyssi JLT2014进行基因组分析，发现其具有混养代谢潜力；在生理生化水平上对证实了T. profunda JLT2016能够自养、异养和混养生长，且能够分泌胞外多糖等；比较蛋白组等表明硫氧化酶与固碳的核酮糖-1，5-二磷酸羧化酶表达有正相关；结合生态数据，推测异养代谢赋予混养型细菌较专性的化能自养细菌有利的生存优势， 使其分布广泛，从而影响黑暗深部圈DOM的转化。2）黄杆菌转化浮游植物复杂多糖的分子代谢机制： 通过基因组揭示了G. flava JLT2011的糖类水解酶基因2倍于其他同属菌株, 且包含多个多糖利用基因簇；生理实验证实G. flava JLT2011能够利用多种浮游植物来源的复杂多糖；通过蛋白组、转录组和代谢组等证实了木聚糖与果糖多糖基因簇参与到多糖降解，构建了其分子代谢途径，丰富了人们对海洋黄杆菌多糖基因簇多样性和功能的认识，有助于理解黄杆菌对浮游植物多糖的再矿化生态作用。3）异养细菌群落与DOM相互作用生态过程与分子机制：对近岸表层水体微型生物，进行了沉积物来源的有机质添加实验。使用高通量测序和高分辨率傅里叶变换离子回旋共振质谱等，在分子水平上描述了DOM与细菌相互作用的动态演变，而且发现病毒等会影响到细菌对溶解有机质的转化。4) 提出TonB依赖型转运蛋白基因可以用于指示异养细菌利用不同DOM的潜力，构建了该基因数据库。