冰川一直是極端微生物學(xué)研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)環(huán)境，其中蘊(yùn)藏著豐富的低溫微生物，冰川生態(tài)環(huán)境賦予了冰川微生物物種、遺傳和代謝的多樣性。冰川微生物是發(fā)現(xiàn)新材料、新基因、新機(jī)制和新功能的理想資源。微生物所菌保中心辛玉華正高級(jí)工程師等人多年來致力于冰川低溫細(xì)菌資源的收集保藏、系統(tǒng)進(jìn)化和生態(tài)適應(yīng)機(jī)制研究，積累了我國(guó)11條冰川來源的低溫細(xì)菌菌種4000余株，在中國(guó)普通微生物菌種保藏管理中心建立了我國(guó)特色的冰川低溫細(xì)菌菌種資源庫。

在中科院微生物所東秀珠研究員帶領(lǐng)下，開展了對(duì)47株冰川黃桿菌(Flavobacterium)的多組學(xué)研究，基因組分析發(fā)現(xiàn)其中37株含有變形菌視紫紅質(zhì)(proteorhodopsin, PR)基因，另外10株不含PR基因。PR蛋白是光驅(qū)動(dòng)的跨膜質(zhì)子泵，偶聯(lián)一個(gè)視黃醛分子，能夠接受光能，將質(zhì)子從胞內(nèi)泵到胞外，在細(xì)胞膜兩側(cè)形成電勢(shì)能梯度，將光能轉(zhuǎn)變?yōu)锳TP。

目前，國(guó)際上普遍認(rèn)為PR決定了黃桿菌的光促生長(zhǎng)表型。然而，光照生長(zhǎng)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)無論是攜帶PR基因、缺失PR基因以及人工構(gòu)建的PR缺失株，冰川黃桿菌均表現(xiàn)出光促生長(zhǎng)特性。通過比較基因組學(xué)、轉(zhuǎn)錄組和表型實(shí)驗(yàn)等分析發(fā)現(xiàn)，在低氧、寡營(yíng)養(yǎng)等狀態(tài)下，冰川黃桿菌的光促生長(zhǎng)表型與玉米黃質(zhì)等色素合成相關(guān)，含玉米黃質(zhì)、番茄紅素等β-類胡蘿卜素的冰川黃桿菌可以為其提供光保護(hù)、維持低溫下細(xì)胞膜功能等作用，而僅含有黃色素的冰川黃桿菌無法在光照條件下生長(zhǎng)。

該研究發(fā)現(xiàn)了PR可能并非國(guó)際上一直以來普遍認(rèn)為的光促生長(zhǎng)關(guān)鍵基因，可能存在新的光/氧調(diào)控機(jī)制。高山冰川一般位于高海拔地區(qū)，表層光照輻射強(qiáng)度大，冰川表層存在可以利用光能的細(xì)菌、藍(lán)細(xì)菌及藻類等。該研究首次發(fā)現(xiàn)，冰川表層優(yōu)勢(shì)的非光合細(xì)菌在低氧、光照條件下生長(zhǎng)速率顯著提高，揭示了光照對(duì)冰川表層生態(tài)系統(tǒng)具有非常重要的影響，發(fā)現(xiàn)玉米黃質(zhì)等色素在冰川環(huán)境重要的生態(tài)意義，可能影響了黃桿菌在冰川表層環(huán)境的適應(yīng)和種群擴(kuò)散。

相關(guān)研究結(jié)果于2021年1月15日，以“Light stimulates anoxic andoligotrophic growth of glacialFlavobacteriumstrains that producezeaxanthin”為題在國(guó)際主流期刊ISME Journal雜志發(fā)表。

中國(guó)科學(xué)院微生物研究所東秀珠研究員、辛玉華正高級(jí)工程師和周宇光正高級(jí)工程師為論文的共同通訊作者，劉慶高級(jí)工程師、李偉助理研究員、中科院武漢病毒所劉翟研究員為共同第一作者。該研究是繼菌保中心在冰川稀有類群Cryobacterium耐低溫適應(yīng)性進(jìn)化機(jī)制的發(fā)現(xiàn)后，又一重要進(jìn)展(Liuet al., 2020)，得到了國(guó)家自然科學(xué)基金委重大研究計(jì)劃和面上項(xiàng)目的支持。

1) Liu Qing#, Li Wei#, Liu Di#,Li lingyan, Li Jie, Lv Na, Liu Fei, Zhu Baoli, Zhou Yuguang*, Xin Yuhua*, DongXiuzhu* (2021).Light stimulates anoxic and oligotrophicgrowth of glacialFlavobacteriumstrains that produce zeaxanthin.ISMEJ.

2) Liu Qing, Song Weizhi, ZhouYuguang, Dong Xiuzhu*, Xin Yuhua*. (2020).Phenotypic divergence of thermotolerance:Molecular basis and cold adaptive evolution related to intrinsic DNAflexibility of glacier-inhabitingCryobacteriumstrains.Environ Microbiol22, 1409-1420.

來源：中國(guó)生物技術(shù)網(wǎng)