深海细菌TMAO还原过程与响应压力调控的机理研究

As the major osmolyte in deep-sea animals and important nutrient and energy source for microorganisms, trimethylamine N-oxide (TMAO) plays important ecological roles in the carbon and nitrogen cycle in deep-sea habitat. In bacterial metabolism, the reduction of TMAO into TMA is conducted by the TMAO reductase. Recently, we observed that several deep-sea bacteria encode multiple TMAO reductases, and they are differently regulated by substrate or high hydrostatic pressure. This discovery expanded the current knowledge that TMAO reductase is induced by substrate only. It is speculated that pressure inducible TMAO reductase enables the bacteria to respond to TMAO more quickly, thus facilating their growth in the infertile deep-sea environment. Whether the pressure regulated TMAO reductase is a common feature for deep-sea bacteria, and how does pressure regulate the reduction of TMAO remain unknown. This project will focus on the TMAO reduction regulated by pressure. By performing cultivation and enzymatic analysis under high pressures, we will study how widely the pressure regulated TMAO reduction in deep-sea bacteria is occurred. Meanwhile, the molecular mechanism of pressure regulation will be analyzed in model strain, with traditional molecular microbiology techniques in combination with Raman spectrometry and novel high pressure stimulation biochemical analysis. The results obtained will promote the understanding the ecological significance of pressure regulation on TMAO reduction in the deep-sea environment, and will shed light on the exploration of the nitrogen cycle in the deep sea habitat.

氧化三甲胺（TMAO）是深海生物主要的渗透压保护剂和微生物的物质和能量来源，在海洋氮循环中具有重要作用。多种海洋细菌可在TMAO还原酶的作用下将其还原为TMA，同时产生能量。我们近期发现，一些深海细菌中编码的多个TMAO还原酶分别受压力和底物诱导，突破了现有的TMAO还原酶仅受底物诱导的认识。我们推测，具有压力诱导型TMAO还原酶的细菌可以更迅速地响应和利用深海环境中的TMAO，更适于在物质贫瘠的深海中生存。这种独特的代谢调控方式是否属于深海细菌的普遍特征？压力如何调控TMAO还原酶表达？为了回答上述问题，本项目一方面通过高压培养和酶活分析，调查具有这种代谢特征的深海细菌的种属特征及分布规律；一方面综合使用高压模拟生化分析和拉曼光谱等方法，深入研究模式菌株中压力调控的分子机制。本研究对于揭示深海细菌介导的TMAO还原作用的生态学意义具有重要启示，也将对阐明深海氮循环机制起推动作用。

氧化三甲胺（TMAO）是深海生物主要的渗透压保护剂和微生物的物质和能量来源。多种海洋细菌可在TMAO还原酶的作用下将其还原为TMA并产生能量。一些深海细菌中发现了受高压诱导的TMAO还原酶，突破了现有的“TMAO还原酶严格受底物调控”的认知。本研究以深海细菌Vibrio fluvialis QY27为模式菌株，以期揭示压力调控TMAO还原酶表达的机理及生物学意义。研究结果表明，该菌株编码两套TMAO还原酶TorCAD和TorZY。其中，受高压诱导的torA基因占主导地位，而TorZY系统的表达水平较低且基本不受外界环境影响。通过TorCAD介导的TMAO厌氧呼吸过程， QY27菌株在高压条件下的生长，即压力耐受性可得到显著提升。我们推测，具有高压诱导型TMAO还原酶的菌株可以更迅速地利用深海环境中的TMAO，通过TMAO厌氧呼吸作用更高效地获取能量生长，因而更适应物质贫瘠的深海环境。对压力诱导基因表达的调控机制的研究表明，缺失TorS的突变株无法利用TMAO，底物和压力亦不再诱导torA的表达，说明TorRS双组分调控系统参与了高压对TMAO还原酶的诱导。以不同的截短和突变的TorS对突变株进行回补实验，结果显示，TorS的第三个磷酸化位点是压力调控TMAO还原酶表达所必需的。.为阐明高压诱导的TMAO厌氧呼吸是否属于深海细菌的普遍特征，我们分析了多种深海生境中微生物对TMAO的利用情况以及压力对其代谢过程的影响。其中，深渊沉积物和深海冷泉沉积物中的微生物可明显利用TMAO。对于深渊沉积物而言，压力是决定其细菌种群结构的最主要因素，不同压力条件下富集得到的微生物种群结构存在显著差异。高压条件下得到富集的优势种群大多能够利用TMAO；常压条件下富集得到的多为海洋生境中广泛分布的微生物类群，添加TMAO对其种群结构的影响远高于高压条件。本研究揭示了高压诱导TMAO厌氧呼吸过程在深海微生物适应高压环境的作用，初步探讨了高压诱导基因表达的分子机制，加深了对微生物适应深海环境的认识。.