冰川中蘊藏著黃杆菌 周宇光供圖

研究涉及的40餘(yu) 株黃杆菌采集地 圖片來源：東(dong) 秀珠等

近日，中科院微生物研究所東(dong) 秀珠、周宇光研究組通過對采集自西藏、新疆、甘肅、四川等地的冰川黃杆菌菌株的研究，發現一種類胡蘿卜素——玉米黃質有助於(yu) 它們(men) 在低氧低營養(yang) 條件下利用光能生長，這一新發現對國際上一直以來普遍認為(wei) 的視紫紅質決(jue) 定黃杆菌的光促生長機製提出了挑戰。相關(guan) 成果近日發表於(yu) 《國際微生物生態學會(hui) 會(hui) 刊》。

“這將擴大我們(men) 對微生物利用光作為(wei) 能源手段的理解，也有助於(yu) 解釋人們(men) 經常觀察到的一個(ge) 現象，即從(cong) 冰川分離出來的許多微生物多產(chan) 生色素。”該刊審稿人如是評價(jia) 這一潛在的新光能利用機製。

打破現有結論

光合作用是地球生物賴以生存的基礎。色素是光合作用捕捉太陽光能量的“器官”。植物、藻類和一些細菌通過葉綠素轉化光能為(wei) 生物能，並將水、二氧化碳、氮化物等轉化為(wei) 澱粉、脂肪、蛋白質和核酸等有機物。

地球上已知的光營養(yang) 代謝所依賴的色素主要有三大類：葉綠素、類胡蘿卜素和藻膽素。

一直以來，國際上普遍認為(wei) 變形菌視紫紅質是黃杆菌的利用光能的功能蛋白。

視紫紅質是一種膜結合蛋白，它本身不能感光，而是需要結合視黃醛分子（一種類胡蘿卜素）接受光能。“視黃醛其實就是維生素A的類似物。”論文通訊作者、微生物所研究員東(dong) 秀珠在接受《中國科學報》采訪時說。

冰川黃杆菌  周宇光供圖

在東(dong) 秀珠的帶領下，研究人員對采集自西藏、新疆、甘肅、四川等地冰川的47株冰川黃杆菌進行了多組學研究。基因組分析發現其中37株含有變形菌視紫紅質基因，另外10株不含該基因。然而，光照生長實驗發現無論是攜帶、無視紫紅質基因的黃杆菌，還是人工敲除該基因的菌株均表現出光促生長的特性。

“從(cong) 這些研究菌株的基因表達譜看，視黃醛合成基因幾乎不表達；也未檢測這些菌株中合成視黃醛。所以，我們(men) 認為(wei) 光促生長應與(yu) 視紫紅質無關(guan) 。”東(dong) 秀珠說。

這項研究無疑對一直以來的觀點形成了挑戰。

玉米黃質或促細菌光生長

大約20年前，研究人員在海洋中發現黃杆菌攜帶利用光能產(chan) 生質子泵的視紫紅質蛋白，並賦予黃杆菌利用光能適應低營養(yang) 環境。

“如果說（黃杆菌的生長）跟視紫紅質沒關(guan) 係，那麽(me) 在低氧、寡營養(yang) 的冰川條件下，它到底跟什麽(me) 有關(guan) 係呢？”東(dong) 秀珠與(yu) 合作者繼續追問。

進一步研究，他們(men) 發現冰川黃杆菌的光促生長與(yu) 玉米黃質等色素合成相關(guan) 。玉米黃質、番茄紅素等β類胡蘿卜素可以為(wei) 冰川黃杆菌提供光輻射保護、維持低溫下細胞膜穩定性等作用，而僅(jin) 含有黃色素的冰川黃杆菌無法在光照條件下生長。

 冰川黃杆菌含有玉米黃質、番茄紅素等β類胡蘿卜素 圖片來源：東(dong) 秀珠等

“作者報道了光刺激冰川黃杆菌生長，產(chan) 生玉米黃質。作者通過生理實驗、基因組和轉錄組分析，發現了一種類似於(yu) 冰川黃杆菌的變形視紫紅質光能采集係統的新機製。”文章審稿人、中科院青藏高原所研究員劉勇勤評價(jia) ，“這個(ge) 話題很有趣，結果也很有說服力。”

“如果這一模型成立，它將是另一種新的光能利用機製（或者至少是光介導的能量守恒）。”該研究另一位審稿人稱。該審稿人期待未來能夠進一步厘清玉米黃質的光促機製。

打造微生物資源“銀行”

冰川一直是極端微生物學研究領域的熱點環境，其中蘊藏著豐(feng) 富的低溫微生物，冰川生態環境賦予了冰川微生物物種、遺傳(chuan) 和代謝的多樣性。以玉米黃質為(wei) 例，東(dong) 秀珠介紹，這是一種帶有極性的類胡蘿卜素。“與(yu) 我們(men) 吃的胡蘿卜、西紅柿裏的類胡蘿卜素類似，具有脂溶性，用油炒比直接食用更容易吸收。”她補充說。

低溫菌的細胞膜多由不飽和的脂肪酸組成，流動性強，可保證細胞膜在低溫下不凝固，與(yu) 外界進行物質交流。但不飽和的脂肪酸組成的細胞膜也容易破裂。玉米黃質這種帶有極性的類胡蘿卜素就像一個(ge) 骨架，分子骨架部分嵌入細胞膜內(nei) 部、而頭部位於(yu) 膜的外部，加強了細胞膜在低溫下整體(ti) 結構、不容易破裂。

作為(wei) 國內(nei) 第一個(ge) 通過國際標準ISO9001認證的保藏中心，中國微生物菌種保藏管理委員會(hui) 普通微生物中心（CGMCC）主任、微生物所菌種保藏中心主任周宇光介紹，目前CGMCC承擔保藏的三類菌種——普通微生物菌種、基礎研究菌種、病原微生物菌毒種，菌種資源總量超過8萬(wan) 株，包括分離自我國11條冰川的低溫細菌菌種4000餘(yu) 株，建立了我國特色的冰川低溫細菌菌種資源庫。

冰川微生物是發現新材料、新基因、新機製和新功能的理想資源。我國南北溫度差異大，將高-中-低溫菌用於(yu) 溫度適應的地區，會(hui) 對工農(nong) 業(ye) 生產(chan) 帶來巨大的便利。如一些低溫酶可提高北方寒冷地區洗滌劑的除菌去汙能力，一些低溫菌也有利於(yu) 冬季北方地區沼氣發酵、東(dong) 北地區黑土地生物降解再利用等。周宇光舉(ju) 例說。

“正是因為(wei) 8年前我們(men) 很好地保藏了這些黃杆菌，才有今天的這項研究結果。”東(dong) 秀珠說。

保藏中心就像一個(ge) 微生物“銀行”，將科研中積累的微生物資源收集保存，並提供給研究者深入研究生物學特征、代謝途徑及其基因功能。“在保藏的基礎上共享，實現微生物資源的可持續利用，這樣國家的前期投入可為(wei) 後續研究奠定基礎，這也是國家成立這樣非營利性的公益平台的原因。”周宇光說。

相關(guan) 論文信息：https://doi.org/10.1038/s41396-020-00891-w



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