南海深海有机质的生物降解过程、机制及微生物在碳循环的作用

Organic matter degradation is an essential step of oceanic carbon cycle. Microorganisms play an important role in oceanic organic matter degradation. Most organic matters in deep sea are reluctant to biodegradation. The general aim of this program is, with the organic carbon and organic nitrogen reluctant to biodegradation as objectives, to analyze the microorganisms and the extracellular hydrolytic enzymes involved in the degradation of these organic matters in the deep-sea sediments in the South China Sea. The biochemical mechanism of some typical enzymes to degrade the reluctant organic matters will be studied, and the extracellular process of microorganisms to participate in organic matter degradation in the deep sea of the South China Sea will be explored. The genomes of some typical bacterial genera, species and strains involved in organic matter degradation will be sequenced, and through analyses of genomics, comparative genomics and metabolism network, the life styles of typical bacteria and the intracellular metabolism process, mechanism and the coupling of organic carbon and organic nitrogen of these bacteria from the South China Sea will be uncovered. The enzymes activities in situ in the deep-sea sediments of the South China Sea will be measured, and mega transcriptomics in situ will be analyzed. The typical bacterial strains will be cultured in simulated deep sea conditions and gene expression and regulation of these strains will be analyzed. These studies, combined with the biochemical mechanism studies, will preliminary elucidate the bioprocess of metabolisms of organic carbon and organic nitrogen in the sediments and the roles of microorganisms in carbon cycling in the deep sea of the South China Sea.

有机质的降解是海洋碳循环的重要环节，微生物在有机质的降解中发挥着重要作用。深海有机质大多是相对难被生物降解的有机质。本项目的总体目标是，选择相对难被生物降解的有机碳和有机氮为研究对象，分析南海深海沉积物中参与这些有机质降解的微生物种类和分泌到细胞外的水解酶的种类及其多样性，选择典型降解酶，研究其酶解这些难降解有机质的生物化学机制，揭示微生物参与的南海深海有机质水解的胞外生物学过程。对参与有机质降解的典型细菌属、种、株进行全基因组测序，通过基因组学、比较基因组学和代谢网络分析，揭示南海深海典型细菌的生命特征及细菌细胞内的有机碳、有机氮代谢的过程、机制与相互偶联。通过南海深海沉积物原位酶活性测定、原位基因表达的宏转录组学分析和实验室内典型菌株的模拟培养的基因表达与调控分析，结合生物化学机制研究，初步揭示南海深海有机碳、有机氮代谢的生物学过程、机制以及微生物在南海深海碳循环中作用。

微生物在南海生态系统的物质循环和能量流动中都发挥着重要作用。但是南海深海沉积物中，参与难降解的高分子量有机碳、有机氮等生物有机质的降解的微生物种类和酶类，以及降解的机制都还未被阐明。而这些问题的揭示，对于阐明南海深海碳循环及微生物在南海深海碳循环中的作用具有重要的意义。本项目：（1）采集了南海海水和沉积物样品，从中通过培养和非培养方法获取了大量产酶菌株资源和酶基因资源。（2）利用生物化学和结构生物学等手段，对获取的多个新型蛋白酶资源降解胶原蛋白、弹性蛋白和肽聚糖等海洋中难降解有机氮的酶促降解机制进行了阐明；对获取的多个新型褐藻胶裂解酶、脂酶/酯酶的性质、结构、热敏感机制以及催化机制进行了阐明。研究结果部分揭示了微生物参与的南海深海有机质的水解的过程和机制。（3）对参与有机质降解的多个典型细菌属、种进行了全基因组和转录组测序，并进行了基因组学、比较基因组学和代谢网络分析。结果揭示了南海深海典型细菌的生命特征、环境适应机制及其细胞内的有机碳、有机氮代谢的过程与机制。另外，通过对细菌的比较基因组研究提出了划分细菌属的分类标准，为海洋细菌新属的准确界定提供了量化依据，该研究成果被美国微生物学会作为研究亮点进行了报道。（4）对深海沉积物典型菌株在实验室内进行了低温高压的模拟培养和转录组学分析。研究结果初步揭示深海沉积物菌株在低温高压下的代谢网络、环境适应机制及其在深海有机碳氮降解和循环中的作用。（5）对获取的部分南海海洋细菌、酶和基因资源进行了应用基础研究，相关技术申请了多项国内外发明专利。建立的假交替单胞菌属的遗传操作体系和异源表达体系，已引起国内外同行的广泛关注。总之，本项目成果揭示了南海沉积物中参与有机质降解的典型微生物种类、酶类、及其降解有机质的机制。相关成果在海洋科学、微生物学和生物化学主流杂志上发表SCI 论文26 篇；申请国内外发明专利9项，其中已获授权3项。