压力和温度对超嗜热嗜压古菌Pyrococcus yayanosii硫还原途径调控及适应深海高压环境的研究

Thermococcales is one of the major microbial group in deep biosphere including hydrothermal vent. Their energy metabolism produces H2 and H2S that provide critical reductant for deep ecosystem. Pyrococcus yayanosii CH1 is the first strict-piezophilic hyperthermophilic archaeon isolated from a chimney sample collected in deep-sea hydrothermal vent, survey of the high-pressure adaptation of CH1 is significant to understand the unique life forms in deep-sea hydrothermal vent. Transcriptomic and proteomic analysis showed that two sulfur reduction pathways (MBX/NSR and MBX/SuDH) were upregulated at high-hydrostatic pressure condition, which implies a contribution of CH1 sulfur reduction to the deep-sea hydrothermal vent adaptation. However, the relationship between sulfur reduction and high-pressure adaptation remains cloudy, and it is still unknown how the cells coordinate the two sulfur reduction pathways. In this proposal, I will cultivate CH1 under high-hydrostatic pressure and high temperature conditions and analyze the sulfur reduction metabolism using real time high-pressure Raman detection system combined with conventional molecular biological techniques to analyze the regulation of pressure and temperature to sulfur reduction pathway of CH1. The results obtained will help to understand the high-pressure adaptation mechanism in piezophilic hyperthermophilic archaeon, and will shed light on the exploration of life in the deep-sea hydrothermal vent.

热球菌目是包括热液口在内的深部环境中的主要微生物类群之一，其能量代谢所生成的氢气或硫化氢为深部生态系统提供了重要的还原力。Pyrococcus yayanosii CH1是从深海热液烟囱体中分离的世界上第一株严格嗜压超嗜热古菌，研究它的代谢途径介导的高压适应性对于认识深海热液口特殊生命过程具有重要意义。转录组和蛋白质组分析发现其两条硫还原途径MBX/NSR和MBX/SuDH在高压下均显著上调，暗示硫还原产生硫化氢的过程和此菌株适应深海热液环境密切相关，但是二者如何协调以及硫代谢与高压适应的关系仍不明了。本研究将利用深海高温高压模拟培养、结合高压拉曼实时检测技术和常规的分子生物学手段，从硫还原途径关键基因的转录、蛋白的表达以及代谢过程等方面，分析压力和温度对两条硫还原途径的调控，探索热液口超嗜热嗜压古菌对深海高压环境的适应机制，为深入认识深海热液口特殊生命过程奠定基础。

深海热液系统是一类不依赖太阳能而依赖化能的生态系统，是地球上最极端的环境之一。喷口喷发的热液与周围冷的海水混合的过程中，形成了剧烈的温度梯度、化学梯度及pH梯度等，为其中的微生物的生存提供了条件。Pyrococcus是一类超嗜热、严格厌氧的硫还原古菌，广泛存在于浅海的热泉及深海热液环境中，研究它们对热液喷口环境的适应性对于认识深海热液极端生命形式具有重要的意义。.本项目选择分离自深海热液喷口的Pyrococcus yayanosii A1为研究对象，研究了其单质硫代谢途径对深海热液口极端环境的适应机制。比较基因组分析发现，A1菌株具有4条单质硫代谢通路，而且这些硫代谢途径的基因组成和排列方式在不同的菌株中相似，对应基因的相似度也较高，提示单质硫代谢是Pyrococcus微生物的核心代谢途径。高温高压模拟培养结果表明，单质硫可以明显提升A1菌株的生长速率和生物量。我们进一步分析了这些关键基因在不同压力条件下的表达情况。结果表明，不同压力条件下MBS和SuDHI始终处于较高的表达水平，SHII和SuDHII始终处于较低的表达水平，说明MBS+SuDHI的代谢通路对A1菌株的硫还原代谢贡献较大。而SHI复合体和MBH复合体的表达水平则在低压力下明显提升。此外，还分析了这些关键基因在不同的温度、pH和盐度条件下的表达水平，发现MBS始终处于高表达状态，而MBH和SHI则会随着环境因子的变化而调整其表达水平。为了进一步认识这些单质硫代谢途径的功能，我们敲除了不同单质硫代谢通路的关键基因，并分析它们的生长状况。结果表明，MBS是A1菌株的必需基因，缺失则导致菌株无法存活；敲除MBH后，菌株在低压力环境的生物量减少，表明其与适应低压环境相关；而敲除SHI后，菌株在不同压力条件的生物量均下降，尤其是在高压条件下。本研究利用多种分析手段，系统的研究了深海超嗜热古菌的单质硫代谢途径对深海热液极端环境的适应机制，为深入认识热液特殊生命形式奠定了基础。