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水生所关于细菌异化型硝酸盐还原成铵与反硝化脱氮两种途径抉择的分子调控机制研究取得进展
作者: 刘双元、戴景程 | 2020-11-11 | 浏览量:

  在无氧和缺氧条件下,许多细菌可利用硝酸根和亚硝酸根作为电子受体进行无氧呼吸,包括异化型硝酸盐还原成铵(dissimilatory nitrate reduction (DNR) to ammoniaDNRA)和反硝化脱氮(denitrification)两种相互竞争的DNR途径,在氮元素的生物地球化学循环中扮演重要角色。大规模工业固氮和氮肥施用引起对大气存留时间长、增温效应强的温室气体氧化亚氮释放提高的担忧,其百年全球变暖潜势(GWP)约为二氧化碳的300倍。 

  罗伊希瓦氏菌(Shewanella loihicaPV-4菌株同时拥有这两个相互竞争的硝酸盐还原途径。早期研究揭示碳氮(C/N)比、碳源种类、pH值、温度及硝酸根/亚硝酸根比都会影响PV-4菌株的氮代谢途径。在高C/N比下,DNRA占优势,反硝化几乎不发生;在低C/N比下,反硝化脱氮占优势。由于该菌株难以进行遗传操作,硝酸盐还原的分子调控机制未能加以研究。 

  中国科学院水生生物研究所邱东茹研究员团队敲除其PstI样的限制-修饰系统基因后,在该菌株中得以进行遗传操作(Qiu et al., 2016, Appl. Environ. Microbiol. 82(17): 5077-5088),为探讨细菌氮代谢途径的调控打下基础。细胞第二信使环状腺苷酸受体蛋白(cyclic AMP receptor proteinCRP是细菌中重要的全局调节因子,参与细胞分裂、饥饿应答、运动和无氧呼吸等。在奥内达希瓦氏菌(S. oneidensis MR-1)中,CRP为编码周质空间硝酸还原酶(NAP-beta)的napDAGHB基因簇、编码亚硝酸还原酶NrfA和为两者传递电子的CymA细胞色素的基因表达所必需。然而,科研人员发现敲除crp基因并不影响腐败希瓦氏菌(S. putrefaciens W3-18-1)中编码另外一个周质空间硝酸还原酶(NAP-alpha)的napEDABC基因簇的表达和硝酸盐还原,但影响NrfACymA介导的亚硝酸盐还原成铵(Qiu et al., 2013, Appl Environ Microbiol., 79(17): 5250-5257; Wei et al., 2016, Microbiology, 162(6): 930-941)。 

  PV-4株中敲除crp基因后,DNRA同样受到抑制,而反硝化脱氮过程得到促进,脱氮相关基因(nirKnorBCnosZ)的表达得到上调。分析发现含铜的NirK亚硝酸还原酶基因不受CRP的直接调控,可能是间接的负调控。硝酸盐还原过程中出现的亚硝酸根暂时积累现象在crp敲除后不再出现。无论C/N比高与低,均伴随着一氧化氮和氧化亚氮气体的释放。说明CRP促进DNRA过程,却抑制反硝化脱氮过程。比较基因组学分析显示PV-4菌株中含有4CRP同系物,而其他脱氮菌通常含有CRP2。进一步分析发现低C/N比会诱导crp2的表达;nirK上游含有保守的CRP2识别的结合位点,人为过量表达crp2可以诱导nirK的转录,因此CRP2可能参与对反硝化脱氮的正调控(Liu et al., 2020, Appl Environ Microbiol., 在线提前发表)。这些结果说明环状腺苷酸及其受体CRP家族在细菌对环境碳/氮比的感知及DNRA和反硝化脱氮途径的抉择中发挥关键作用。在氮源(电子受体)相对不足时,选择DNRA途径产能较多,而所需的电子供体也较多,所释放的铵根依然可被吸收来合成氨基酸和蛋白质加以同化;在碳源(电子供体)不足时,选择反硝化脱氮途径所需的电子供体较少、以单位碳源计所产生的能量较多,可节省碳源用于细胞生长与繁殖,但是会造成生物可吸收同化的活性氮元素的损失。这是细菌经过长期进化所形成的基于限制性因子的变化而采取不同的物质和能量代谢途径,以充分利用限制性因子实现能量产生和细胞生长量最大化的分子调节机制。这些结果对微生物驱动的氮元素生物地球化学循环的理解和温室气体氧化亚氮排放的控制有参考作用。  

  该论文已经在线发表于美国微生物学会主办的《应用与环境微生物学》(Applied & Environmental Microbiology)上,博士生刘双元和助理研究员戴景程为共同第一作者,邱东茹研究员为通讯作者。该研究受到国家自然科学基金委员会“水圈微生物驱动生物地球化学循环的机制”重大研究计划培育项目的支持。 

 

   罗伊希瓦氏菌中细胞第二信使环状腺苷酸受体蛋白家族成员CRP1CRP2在高、低碳氮比条件下分别促进异化硝酸盐还原成铵(DNRA)和反硝化脱氮 

  文章链接:https://aem.asm.org/content/early/2020/11/02/AEM.01964-20 

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