藻华中玫瑰杆菌利用转化溶解有机硫DHPS的生理生态研究

The biological functions and ecological effects of marine dissolved organic sulfur should not be overlooked and dimethylsulfoniopropionate (DMSP) has received much attention. Phytoplankton and their bloom can produce not only abundant DMSP but also organic sulfur molecule 2,3-dihydroxypropane-1-sulfonate (DHPS). DHPS plays a major role in the flux of sulfur and carbon through its utilization and transformation by heterotrophic bacteria. DHPS may be regarded as an important biogenic sulfur compound. The ecological process of bacterial utilization and transformation of DHPS are still unclear. Two propose hypotheses in this project will be tested. One is that there are a number of marine bacteria that can utilize DHPS, which play roles in the organic sulfur cycle. The other is that Roseobacter could obtain a carbon source and a possible sulfur source through DHPS transformation to support their growth, and thus enhance their survival advantage over others in the bloom. This project seeks to address two key scientific questions using the field investigations and incubation experiments in the context of phytoplankton bloom: the capacity of heterotrophic bacteria to utilize DHPS in the bloom, and the physiological and metabolic characterization of DHPS utilization and transformation by Roseobacter and its ecological function. The project will provide a new perspective and parameters for research on Roseobacter adaptation to the environment, deepening our understanding of the ecological processes of marine organic sulfur cycle.

海洋溶解有机硫具有不可忽视的生物学作用和生态效应，其中二甲基巯基丙酸（DMSP）已经受到较多关注。浮游植物及它们的藻华不仅能产生丰富的DMSP，也产生2,3-丙二醇磺酸盐(DHPS)有机硫分子。DHPS通过异养细菌对其的利用转化，可以在海洋硫和碳通量中扮演活跃角色，因而它也是重要的生源硫化合物。目前细菌利用转化DHPS的生理生态过程尚不清晰。本项目提出两个假设：（一）海洋环境存在若干能利用DHPS的细菌，它们是有机硫循环的参与者；（二）玫瑰杆菌代谢DHPS获取可用于生长的碳源及可能硫源，能够增强它们在藻华中的生存竞争优势。本项目以藻华为背景，采用野外调查与室内研究相结合，拟围绕两个关键科学问题开展研究：1)藻华中异养细菌利用DHPS的能力；2)玫瑰杆菌利用转化DHPS的生理代谢特点和生态作用。本项目为玫瑰杆菌与环境适应机制研究提供新视角和新参数，也为海洋有机硫循环的生态过程的认识提供补充。

海洋溶解有机硫具有不可忽视的生物学作用和生态效应，其中二甲基巯基丙酸（DMSP）已经受到较多关注。浮游植物及它们的藻华不仅能产生丰富的DMSP，也产生2,3-丙二醇磺酸盐(DHPS)有机硫分子。DHPS通过异养细菌对其的利用转化，可以在海洋硫和碳通量中扮演活跃角色，因而它也是重要的生源硫化合物。本项目采用野外调查与室内研究相结合分析异养细菌利用DHPS的能力，以及玫瑰杆菌利用转化DHPS的生理代谢特点和生态作用。项目阐释了海洋中生源有机硫的化学多样性和生化特性，构建了生源有机硫代谢网络，提供了海洋微生物不同类群对有机硫转化和矿化的途径，指出海洋环境中DHPS的代谢普遍性。项目发现渤海水体中DHPS广泛存在，每升海水颗粒物上含纳摩尔量级的DHPS，与DMSP海水浓度相当，而且环境中DHPS代谢基因丰富。项目揭示了DHPS提供了异养细菌碳源和硫源，能减少细菌耗能的同化硫酸盐使用，发现玫瑰杆菌对具有手性DHPS分子利用没有选择性，可通过三种方式去磺酸化，其产物亚硫酸被细菌快速氧化，为海洋“隐蔽硫循环”研究提供了新证据。项目从生化机制层面探究海洋微生物利用转化有机硫DHPS，证实了海洋环境中DHPS的手性特征，更正了国际上10多年前提出的错误DHPS代谢途径。项目发现藻华中黄杆菌Polaribacter、玫瑰杆菌Lentibacter、海洋螺菌Litoricola在游离态和附着态群落上均占优势，具有基因组精简、含氮低等适应贫营养环境的生态计量学特征，这是因为细菌优先利用藻源有机氮、硫源，与此同时，有机质的矿化提供给浮游植物生长，有利于藻华维系。尽管甲藻不合成DHPS，但硅藻和定鞭藻能够生成丰富DHPS。本项目为海洋磺酸盐分子生物地球化学研究提供了新见解。