海洋浮霉状菌氮源选择机制及其在海洋颗粒微生态系统中的作用

It is known that microorganisms utilize preferred nitrogen sources for growth. However, the underlying biochemical mechanisms and ecological significance are poorly understood. Planctomycetes, a phylum containing a large number of species with diverse functions, are widely distributed in the oceans. As an important group of organisms in marine aggregates, planctomycetes serve a key role in the degradation of the marine organic matter. In our previous studies, we found that the genus Gimesia of the phylum Planctomycetes exhibited preference for certain nitrogen compounds. Gimesia grew well on organic nitrogen sources including chondroitin sulfate, N-acetyl-glucosamine etc., which are abundant in the oceans, but not on ammonium. In the proposed study, we will look into the mechanism employed by two Gimesia strains isolated from the surface and the deep sea water samples, respectively, in nitrogen source selection, by using microbiological, biochemical and omics approaches. We will also investigate the effect of nitrogen selection and utilization by the planctomycetes on bacterial community structures and nitrogen cycling in marine particles by employing the methods of molecular ecology. This study will increase our understanding of roles of microorganisms in the transformation of organic nitrogen to inorganic nitrogen, nitrogen cycling and coupling between carbon and nitrogen metabolisms in the oceans.

微生物对氮源的选择现象普遍存在，但是对这种现象背后的生化机制和生态意义并不十分清楚。浮霉状菌广泛分布于海洋环境，具有丰富的物种和功能多样性，被认为是海洋颗粒物中重要的微生物类群之一，在有机物降解中发挥重要作用。本项目组的前期研究显示，海洋浮霉状菌Gimesia对氮源的利用具有偏好性，优先利用在海洋中较丰富的硫酸软骨素、N-乙酰氨基葡萄糖等有机物，而不是氨作为氮源生长。本项目拟以分别分离自表层和深海水体的两株Gimesia菌株为研究对象，采用微生物学、生物化学、组学等方法，阐明其氮源选择的生化机制，并结合分子生态学方法，揭示浮霉状菌氮源选择和利用在海洋颗粒微生态系统微生物群落结构形成及氮循环中的作用。项目的实施将有助于深入了解微生物驱动海洋有机氮-无机氮转化、氮素循环以及碳氮代谢偶联的机制。

浮霉状菌（Planctomycetes）广泛分布于海洋环境，具有丰富的物种和功能多样性，被认为是海洋颗粒物中重要的微生物类群之一，在有机物降解中发挥重要作用。由于这类微生物细胞结构特殊，对培养条件要求苛刻，生长缓慢，在很长一段时间，浮霉状菌门中可培养的菌株数目极少。且它们的基因组偏大（约7-9M），一半以上的基因无法预测其功能，加上缺乏有效的遗传操作系统，因此对这类海洋微生物的诸多特性以及生态功能了解非常少。本项目组的前期研究显示，海洋浮霉状菌偏好优先利用在海洋中较丰富的硫酸软骨素、N-乙酰氨基葡萄糖等有机物生长，但未知其代谢利用这类氨基糖类物质的途径及生态意义。本项目建立了海洋浮霉状菌的富集培养方法，从南海冷泉繁茂区、马里亚纳海沟以及印度洋等海域富集分离获得浮霉状菌116株，分析表明获得的菌株T1为新种，广泛分布于海洋环境中；对其基因组、转录组、代谢组及异源回补分析，阐明了浮霉状菌特有的N-乙酰氨基葡萄糖代谢基因和途径，探讨了该途径介导的微生物互作机制，初步确定是浮霉状菌利用N-乙酰氨基葡萄糖后产生的分子量小于3KD的有机物和氨参与了水体颗粒物中它们与其他微生物之间的互作；建立和完善了适用于多个不同属种浮霉状菌菌株的遗传操作系统，并获得了无纤毛突变株，该突变株失去了集结成颗粒物的能力，推测纤毛在浮霉状菌颗粒形成及与其他微生物互作中发挥重要作用。研究结果丰富了我们对海洋浮霉状菌的认识，为深入揭示微生物驱动海洋有机氮-无机氮转化、氮素循环以及碳氮代谢偶联的机制奠定基础。