科研 | Nature Microbiology：细菌是沿海沉积物中二甲基磺酰基丙酸盐的重要生产者
编译：小鹿同学，编辑：十九、江舜尧。
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二甲基磺酰基丙酸盐（DMSP）及其分解代谢产物二甲基硫醚（DMS）是海洋中的关键营养物质，其在全球硫循环、信号传递、大气成分及气候调节中均具有重要作用。之前的研究中，DMSP的产生一直被认为是一个有氧和光照的过程，且主要局限在表层海水中。然而，本研究挑战了这一观点，通过对沿海沉积物及海水样品中DMSP含量鉴定，及一系列较为全面的实验探索，研究者发现表层沉积物中DMSP的含量更高，同时鉴定出几种之前并不知道的DMSP生产菌，发现了一个新的标记基因（mmtN），以此可以预测细菌是否可以产生DMSP。综合整个研究，研究者认为覆盖地球大部分地表的沿海及海洋沉积物中的细菌可能是环境中DMSP及DMS的重要生产者。
论文ID
原名：Bacteria are important dimethylsulfoniopropionate producers in coastal sediments
译名：细菌是沿海沉积物中二甲基磺酰基丙酸盐的重要生产者
期刊：Nature Microbiology
IF：14.3
发表时间：2019年8月
通信作者：Jonathan D. Todd
通信作者单位：英国诺里奇研究园东英吉利大学生物科学学院
实验设计
本研究从英国Stiffkey盐沼、Cley盐沼、Yarmouth河口及马里亚纳海沟等地收集了表层沉积物及地表海水等样品，以化学合成的二甲基磺酰基丙酸盐（DMSP），DMSP-醛脱氢酶（DMSHB），DMSP-胺和S-甲基-甲硫氨酸（SMM）等化学物质为标品，通过气相色谱（GC）、液相色谱质谱（LC-MS）、高效液相色谱法（HPLC）等手段对采集样品中DMSP等物质进行分析鉴定，结合同位素标记的方法，分析DMSP的产生速率及分解速率，同时分析采样地附近生长的植物Spartina anglica及Aster tripolium中DMSP的产生量。同时，研究者也从采集样品中分离到A. glacialis，并进行分析鉴定。另一方面，为了增加样品中的DMSP产量，研究者对Stiffkey盐沼采集的样品进行富集培养，并对富集样品进行DNA和RNA提取和纯化，利用简并引物进行qPCR和RT-qPCR，分析样品中dsyB和mmtN基因的表达丰度，以此建立公共的海洋样品宏基因组数据库，利用此数据库对MmtN蛋白构建系统发育树，同时对dsyB进行密度分析。研究者还对细菌的培养基和生长条件进行了探索，对可以产生DMSP的细菌进行分离、表征分析及基因组测序。对于分离到的Novosphingobium菌株，对其胞内提取物中DMSP的产量进行了鉴定，研究者还构建了Novosphingobium文库，在文库中鉴定MmtN / MMT蛋白。而对另一个分离到的T. profundimaris菌株，研究者进行了基因诱变，及突变体的表型分析
结果
每年大约有80亿吨的二甲基磺酰基丙酸盐（DMSP）由地球表层海洋中的浮游藻类产生。然而，来自盐沼池、河口和深海（高压且无光照）等的表层沉积物中包含的DMSP（5~128nmol/g）水平比表层海水中包含的DMSP（0.01~0.70nmol/ml）高出了三个数量级（图1a,b），这种现象在先前就已经观察到。DMSP的浓度随着沉积物深度的增加而减少，在缺氧的沉积物中浓度最低，但即使在缺氧的沉积物中，DMSP的浓度也比表层海水中的浓度高出大约一个数量级。本研究的重点是DMSP在沿海表层沉积物中的合成，其中，沿海表层沉积物中的DMSP浓度也是最高的。产生DMSP的米草属Spartina被认为是盐沼中DMSP和DMS的主要来源。确实，在采样池塘周围的Spartina anglica根部和叶中发现了高水平的DMSP，并且在这个草丛附近的沉积物中也检测到高水平的DMSP。但是，S. anglica根际和叶际样品中也包含具有合成DMSP遗传潜力的细菌，研究者认为不能忽略这些细菌对S. anglica或该环境中的DMSP水平是否有影响的的可能性。此外，在距Spartina 20cm的表层沉积物中的DMSP浓聚物十分稳定。来自雅茅斯河口的样品同样含有高水平的DMSP，但那里没有Spartina，却生长着Aster tripolium。A. tripolium是一种之前并不知道可以积累DMSP的盐生植物，但是研究发现其包含的DMSP含量远低于S. anglica。就目前DMSP的现存浓度来说，沿海表层沉积物样品中DMSP和DMS的合成速率要远高于表层海水中的。这些数据表明，沉积物中相当一大部分的DMSP可能是微生物合成的，而不仅仅是来自沉降的颗粒物或产生DMSP的植物。本研究提出，覆盖地球表面70%以上的沿海表层和海洋沉积物是微生物生物合成DMSP及DMSP分解代谢的高活性环境，它们产生了气候活性气体DMS。
图1.检测的海洋沉积物中DMSP的合成。a,b 表层沉积物中DMSP的平均库存浓度（棕色）。（a）来自两个盐沼（Stiffkey和Cley）和河口（Yarmouth；n=3）的上层水（蓝色）中DMSP的平均库存浓度（蓝色）。（b）来自马里亚纳海沟挑战者深处的表层海水（蓝色）和4500米深的表层沉积物（棕色）中DMSP的平均库存浓度（n=3）；c 对Stiffkey盐沼池、Yarmouth 河口沉积物、 Cley 盐沼池沉积物、4500米深的Mariana海沟表层沉积物、Stiffkey盐沼池水和Great Yarmouth的沿海海水等这些天然沉积物样品菌种在开始时间（T0）及孵育后（DMSP产物的对照（CON）、富集（ENR））进行DNA（实时荧光定量PCR）和mRNA（反转录实时荧光定量PCR）分析。
对从英国Stiffkey盐沼中采集的表层沉积物样品进行微生物群落分析，以鉴定潜在的DMSP生产者。分析发现，这个群落主要被细菌主导（约占16S核糖体RNA基因序列的91%），其中大约2.3±0.6%属于包含dsyB基因的物种，它是细菌产生DMSP的一个指示基因。此外，宏基因组分析预测大约1%的细菌含有dsyB基因，其编码范围跨越一系列功能性的甲硫基羟基丁酸（MTHB）甲基转移酶。除了编码DddD，DddL和DddP的基因（分别出现在1.1%，4.8%和6.6%的细菌中），这种转移酶的丰度高于大多数DMSP裂解酶（一种降解DMSP释放DMS的酶），它可能是这些沉积物中重要的产生DMS酶。真核质粒16S的rRNA基因主要来自藻类，约占群落序列的9%。Asterionellopsis是Fragilariophyceae家族中的一员，其细胞内DMSP含量很低或处于检测不到的水平，但它是一种数量丰富的藻类（在16S rRNA基因群落数据库中约占6%）。从Stiffkey沉积物中分离出一种直径为3μm的链形Asterionellopsis glacialis（菌株PR1），它与扩增子数据中占优势的Asterionellopsis 16S rRNA基因具有99%的一致性，但是细胞内产生很低水平的DMSP（0.21mM）。在硅藻类的Fragilariophyceae家族中没有鉴定到DMSP的合成基因，但在Stiffkey样品的宏基因组数据中真核生物DMSP合成基因DSYB的丰度是细菌中dsyB基因的至少12倍。其它合成DMSP的真核质粒16S rRNA基因序列检测水平都很低，包括Phaeodactylum（约占0.4%）和Thalassiosira（约占0.3%）。考虑到Stiffkey沉积物中产生DMSP硅藻和细菌的量，这两种可能都是在这样光照条件海洋环境中比较重要的DMSP生产者。
对从Stiffkey河口获得的沉积物样品进行孵育实验主要是为了增加并分离可以产生DMSP的细菌。富集沉积物浆液中的DMSP产量主要通过对环境培养基的孵育来完成，孵育环境培养基时需增加盐的含量、添加MTHB并减少氮的水平（这是Labrenzia中增加DMSP合成的条件）。孵育14天以后，来自富集样品微生物中DMSP的水平始终是最高的（从第4天起）。孵育结束后，分离得到的DMSP生产菌在富集沉积物中比例从自然沉积物样品中的25%增加到71%。这表明孵育实验是富集DMSP生产菌的一个有效方法。
与自然条件不同的是，在孵育过程中培养基增加了碳源和其他不同的条件（比如温度和溶氧量）。比较重要一点的是，与天然的及对照样品相比，富集出的微生物群落在种属水平上有几个比较明显的不同。首先在富集样品中已知的DMSP生产菌Oceanicola（2.1%±0.01%）和Ruegeria（4.5%±0.1%）明显增加了，同时增加的也有从该研究中产生DMSP的α-变形杆菌和γ-变形杆菌，比如Marinobacter(3.2±0.4%), Novosphingobium(4.7±0.9%)和Alteromonas (20.7±2.4%)。这三个种属的细菌在自然沉积物群落中约占0.6%，并且在它们可检测到的基因组中并没有dsyB基因，这些细菌的增加可能帮助研究者在富集样品中观察到DMSP水平的增加。在对照组和富集组样品之间，包含dsyB基因的细菌丰度（分别是11.7%和10.5%）、dsyB基因丰度（经qPCR鉴定和宏基因组分析）（图1.c）及dsyB转录本丰度（图1.c）之间并没有表现出明显的差异。然而，富集样品与对照组之的DsyB蛋白的多样性有些不同。富集样品中具有更丰富的DsyB蛋白变异的细菌，这可能帮助研究者检测到更高的DMSP水平，比如通过产生更高的细胞内DMSP浓度来检测到。当然，也可能存在其他未知的基因或途径与DMSP合成有关，这些基因或途径有助于增加DMSP的检测水平。
Novosphingobium sp. BW1菌株过去用来研究dsyB基因非依赖型的DMSP合成途径。研究发现，通过加入产DMSP植物（如Spartina）中已知DMSP合成途径的中间体（图2a）如甲硫氨酸（一种普遍的DMSP前体）、S-甲基-甲硫氨酸（SMM，一种常见的植物代谢物）及甲基化途径的中间体（图2b），BW1菌株的DMSP产量明显增加。通过高效液相色谱法（HPLC）对BW1细胞提取物进行检测，发现该途径甲硫氨酸及另一种中间体——DMSP-胺的含量分别是0.90±0.01mM、0.13±0.02mM，同时对样品中S-甲基-甲硫氨酸进行液相色谱质谱（LC-MS）检测，这些结果都进一步证明了在BW1菌株中甲基化途径可能就是DMSP的合成途径。额外添加DMSP-胺并不能增加DMSP的产量，可能是因为BW1菌株吸收DMSP-胺的能力有限，或因为DMSP-胺并不能诱导DMSP合成基因的表达。BW1细胞提取物具有S-腺苷-甲硫氨酸（SAM）依赖型的甲硫氨酸甲基转移酶（MMT）活性，可以将甲硫氨酸转化成S-甲基-甲硫氨酸（3.6μmol/min·μg蛋白）。虽然有些细菌可以分解S-甲基-甲硫氨酸，但之前并没有相关报道其具有甲硫氨酸甲基转移酶活性。添加4-甲硫基-2-氧代丁酸酯（MTOB）也可以增加BW1菌株中DMSP的产量（增加2.5倍），但增加的程度没有添加甲硫氨酸或S-甲基-甲硫氨酸的多（分别增加7倍和13倍），这表明BW1菌株可能具有从MTOB中产生甲硫氨酸的甲硫氨酸回补途径。
通过筛选BW1菌株的基因组文库，我们鉴定了一个名为mmtN的基因，它可能具有甲硫氨酸甲基转移酶活性。纯化的MmtN酶表现出S-腺苷-甲硫氨酸（SAM）依赖型的甲硫氨酸甲基转移酶酶活，但它不甲基化相关的化合物，比如甲基巯基丙酸酯（MMPA）、甘氨酸和MTHB。MmtN蛋白的同源物（超过54%的氨基酸序列同源性）存在于许多海洋α-变形杆菌、γ-变形杆菌和放线菌门中，它们是可以产生DMSP的标志，并且mmtN-相似基因已被克隆并进行了功能鉴定（图3）。最近的一项生化研究表明，来自Streptomyces mobaraensis和Rhodovulum sp. P5的MmtN具有甲硫氨酸甲基转移酶活性，其动力学参数（KM）与此处报道的来自Novosphingobium中mmtN酶的KM值相当。
讨论
因此，mmtN基因和dsyB、DSYB基因一样，是另一种强有力的生物具有合成DMSP潜力的报告基因。在检测的海水和沉积物样品中，含有mmtN基因的细菌比含dsyB基因的细菌少（图1c）。然而，与对照样品相比，富集培养样品中包含mmtN基因的细菌丰度更高，这表明MmtN-依赖型的DMSP合成可能是富集培养条件下DMSP水平增加的主要因素（图1c）。
mmtN基因是Thalassospira profundimaris中合成DMSP的必需基因，考虑到mmtN突变体并不能产生DMSP，但其合成DMSP的功能可以通过克隆mmtN基因的方式来恢复（图2c）。下一步可能进行的工作是阐明一个完整的MmtN依赖型DMSP合成途径，其可能涉及到一系类的基因（两种不同的类型），如在许多海洋细菌基因组中编码假定的氨基转移酶基因、与mmtN临近的脱氢酶和脱羧酶基因。研究发现，S. mobaraensis的基因产物具有预期的酶活性质，这些基因来自SMM脱羧酶、DMSP胺-氨基转移酶及DMSP醛脱氢酶等（图2a）。研究者还发现，T. profundimaris中假定DMSP胺-氨基转移酶的突变，与野生型菌株相比会导致DMSP水平降低73%。这表明T. profundimaris中DMSP生物合成途径过程这一系列基因中至少有一个基因是编码DMSP下调的酶。与野生型菌株相比，在增加盐分或减少氮源这些利于DMSP合成量增加的条件下，mmtN-突变体并没有表现出明显的生长降低情况或竞争劣势。与T. profundimaris相似的Labrenzia dsyB−突变菌株中也具有相似的结果，这种菌株可以产生含氮渗透物，如甜菜碱（GBT）。实际上，与野生型菌株相比，T. profundimaris mmtN-突变体表现出增加GBT水平的能力，说明这些细菌产生的GBT或其他渗透物可以补偿DMSP的损失（图2c）。
MmtN蛋白（33kDa）与其远系的植物MMT酶（115kDa）在N端甲基转移酶结构域仅有小于30%的氨基酸同源性，因此分成一个不同的组（图3）。这些植物酶包含一个额外的C端氨基转移酶结构域，这个结构域被认为具有调控作用。细菌的MmtN酶和植物的MMT酶之间在长度、氨基酸序列和结构域之间的差异可能是检测细菌MmtN的KM比植物的高约10倍的原因。编码植物相似MMT酶基因存在于一些细菌基因组中，大部分这样的细菌属于δ-变形杆菌（图3），并且研究者检测了四种这类细菌的DMSP产量。其中只有Pseudobacteriovorax antillogorgiicola可以产生DMSP，尽管其产生的DMSP水平很低。因此，相对于mmtN基因来说，生物体内存在植物相似的MMT酶并不是生物产生DMSP的一个良好指标。在含有功能性MmtN蛋白菌群组中，研究者并没有发现单一菌群，说明mmtN基因可能通过水平基因转移的方式在细菌之间转移。细菌的mmtN基因和植物相似的MMT酶基因之间的高水平序列差异表明这些途径十分古老，它们在细菌和植物中分别独立产生，或可能通过古老的水平转移方式进行基因转移。
对从盐沼池、河口及深海中获得的海洋沉积物样品中0.1-3.6%的细菌通过qPCR技术来预测可产生DMSP的细菌（包括DsyB和MmtN）。实际上，从Stiffkey表层沉积物中得到的样品，估计其细菌含量为1.99×1010个细菌/g，通过宏基因组分析预测DMSP生产者的百分比约为1.1%，表明沉积物样品中每克大约有1×108个DMSP生产菌株，其胞内DMSP的浓度范围是0.66mM到73mM（图1c）。研究发现，DMSP的生产菌在海洋微生物参考基因目录的宏基因组数据库（主要是表层海水样品）和检测沿海海水样本中的量比表层沉积物中要少，但它们在海水中仍占0.3~0.6%，据报道其含量为每毫升有1×106个细菌（图1c）。这些预测的数据可能比实际偏低，因为分离到一些不含dsyB和mmtN基因的细菌也可以产生DMSP（比如Marinobacter在天然沉积物群落中约占0.5%），它可能是通过未知的DMSP合成基因和途径来产生DMSP。所有检测样本中的dsyB基因都被转录，但表层沉积物中的转录本比盐沼池水、表层海水中的每个单位要高出三个数量级左右（图1c）。此外，在Tara海洋浮游细菌物种转录组数据库中，dsyB和mmtN的转录本都存在，且水平不一。在海水的孵育实验中，Novosphingobium sp. BW1 (mmtN+)、Pelagibaca bermudensis (dsyB+) 和Labrenzia LZB033 (dsyB+)都产生DMSP，并形成降解池，这证明即使在接近自然的条件下，菌株也具有活力。这些数据与海洋沉积物、海水环境中具有DMSP合成活性的菌株产生DMSP的全球生物量基本一致。本研究表明，海水中的细菌可能是DMSP水平的贡献者，但需要进一步的研究来评估它们的重要性。此外，在某些情况下，与深海中的藻类相比，沿海表层沉积物中细菌对于DMSP总量的贡献要更大，特别是与上层海水相比，每单位质量具有更大的产生DMSP能力。此外，尽管缺氧盐沼池沉积物中DMSP的含量远低于有氧盐沼的表层样品，但它仍比表层海水中DMSP的含量要高5~10倍左右，并且它是一个之前没有研究过的细菌产生DMSP环境。本研究挑战了DMSP的产生主要是一种有氧和光照的过程这一观点，并且证明了在生产DMSP和DMS的全球模型中应该将沿海表层沉积物及细菌作为一个主要的贡献者。
评论
二甲基磺酰基丙酸盐（DMSP）在整个大气硫循环中占有重要地位。在本研究中，作者主要以DMSP的产生为主线，大胆地挑战了之前产生DMSP是一个需氧需光的过程这一观点，利用一系列分子生物学、基因组学和转录组学等手段对样品进行研究分析，获得了一些突破性的发现，并提出自己的观点——在全球DMSP产生过程中，沿海沉积物及其中的细菌担任着比较重要的角色。本文的研究结果为DMSP的产生过程提供了新的研究方向，具有重要意义！
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