我校深渊团队与合作者在科学子刊发文揭示微生物群落动态代谢过程

近日，美国科学杂志旗下权威学术期刊《Science Advances》在线刊登了我校海洋科学学院吴伟超研究员及其合作者关于土壤微生物群落原位代谢和碳利用效率多样性的研究论文“In Situ Diversity of Metabolism and Carbon Use Efficiency among Soil Bacteria”。

微生物代谢组学的研究表明：在复杂环境下，微生物群落的代谢方式和碳利用效率应当呈现多样化特征，且微生物的表型特征（真实代谢过程）容易受环境因素的影响。然而由于缺少原位代谢途径适用的研究方法，复杂环境中微生物群落（甚至个体间）的原位代谢途径一直是该领域的瓶颈。微生物代谢流是一种广泛应用于代谢工程、人类疾病诊断、药物开发等领域的技术。通过评估微生物代谢网络上的代谢流/碳通量，旨在提高对微生物胞内动态代谢过程的理解，从而进一步理解微生物环境表型特征。吴伟超研究员在2020年开发了基于经典生物地球化学信息指标——磷脂脂肪酸（PLFA）的微生物代谢流评估模型，为实现微生物群落组间甚至个体的代谢流评估提供了新的研究思路，成果发表在自然指数期刊Geochimica et Cosmochimica Acta（Wu et al., 2020）。为进一步扩展该方法到真实的环境样品，吴伟超研究员和来自德国哥廷根大学、德国图灵根大学、美国北亚利桑那大学和中科院昆明植物所的研究人员进行合作，研究了土壤环境中微生物群落的代谢流取得了突破性发现：1）提供了实测证据来支持环境微生物群落内部多样化的代谢途径，值得关注的是土壤微生物群落组间在代谢流模式上存在明显差异。2）在群落水平上，微生物以戊糖磷酸途径（PP）为主利用葡萄糖，这与目前对于纯种微生物和基因组学的调查结果不一致——微生物以糖酵解途径（EMP）为主。论文推测可能是因为PP是一种重要的还原性辅酶II（NADPH）的途径，较活跃的PP有助于微生物适应陆地的氧化环境。3）这种多样化的代谢流方式进而导致了微生物多样化的碳利用效率，对于理解微生物的固碳方式有重要的指导意义（见图1）。

图1. 环境微生物生物地球化学碳循环的旧与新视角。ED途径指的是Entner-Doudoroff途径，又称2-酮-3-脱氧-6-磷酸葡糖酸途径（KDPG）。

本论文主要针对土壤微生物开展的工作，但由于磷脂脂肪酸（PLFA）也是海洋微生物重要的生物标志物，因此基于PLFA的微生物代谢流技术对于研究海洋微生物的动态代谢和碳利用过程同样极具潜力，这将为我校极端海洋过程与资源的特色领域研究打开了一个新的窗口。吴伟超研究员为论文第一作者兼通讯作者，研究得到中国自然基金委青年基金项目（42106046）、欧盟“地平线2020”计划玛丽居里项目（840240）和德国自然基金重点项目（DI 2136/17-1）的资助。

文章链接https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abq3958