滨海湿地中光合固氮细菌驱动的碳元素循环机制

Coastal wetlands are ecologically important water systems due to their high productivity, element recycling capacities, and their prominent contribution to global greenhouse gas emissions. It has been well known that photosynthetic bacteria have great contribution to the nitrogen cycle in coastal wetlands. However, their functions on the carbon cycle are still elusive. The applicant has years of experience working on nitrogenase, and a recent discovery that nitrogenases can reduce carbon dioxide (CO2) to formate and methane gives us a crazy idea that nitrogenase may play an important role in the carbon cycle of coastal wetlands. By setting up artificial microbial ecosystems based on the metagenomic analysis and the isolation of pure cultures, and using advanced techniques of transcriptomics technologies, proteomics technologies, carbon flux analysis, biochemistry and molecular biology, we will discover new pathways of carbon metabolism and unmask the molecular mechanisms of carbon cycle at the levels of microbial interactions, functional strains and metabolic pathways. This project will advance our understanding of how carbon cycle affects the microbial diversity and the emission of greenhouse gases, and pave the way for the ecology and environmental protection of China.

滨海湿地生态系统具有生产力高，元素循环能力强以及对全球温室气体排放贡献大等特点，因此被认为是非常重要的水生生态系统。光合固氮菌对于滨海湿地氮元素循环的贡献已经获得了一致的认可，但是其在碳循环中的功能和作用尚未可知。本项目基于申请人在光合固氮菌研究中积累的丰富经验，将固氮酶催化二氧化碳（CO2）还原这一全新概念引入滨海湿地碳循环的研究中来。拟从微生物群落相互作用，关键功能菌株，特殊代谢途径等多个层次，在元基因组分析和微生物纯培养的基础上，创新性的建立人工微生物生态系统，并结合转录组、蛋白质组、碳代谢流分析以及生物化学和分子生物学手段，发现碳元素代谢新途径，揭示滨海湿地碳元素循环新机制，探讨碳元素循环策略对滨海湿地微生物多样性以及温室气体排放的影响，为国家生态环境保护提供新的理论基础与技术策略。

固氮菌在驱动全球氮元素循环方面无疑起着至关重要的角色，固氮酶除了生物固氮活性外，还能够将CO2 还原为甲酸，而铁固氮酶更是可以直接将CO2还原为甲烷。由于固氮酶在生物固氮和固碳过程中需要消耗大量的ATP，而光合固氮菌很好的解决了ATP能量来源的问题，因此它们在滨海湿地碳元素循环中很可能发挥着尚未被认知的重要作用。.本项目选取滨海湿地作为研究对象，通过宏基因组分析发现硫代谢和固氮酶介导的碳氮代谢在滨海湿地生态系统中存在着能量和代谢偶联。另外对钼、钒和铁固氮酶在细胞内的甲酸合成能力进行了系统测定，发现铁固氮酶可以产生更多的甲酸，而光合固氮菌产生的甲酸被产甲烷菌利用而产生甲烷，揭示了一条光能驱动的、固氮酶介导的甲烷生物合成新途径。.固氮酶的表达是受环境条件严格调控的，为了更好的理解环境条件如何影响基于固氮酶的甲酸和甲烷生物合成，本项目对光合固氮菌如何响应环境中的氮水平进行了研究。首先开发了一种基于红色荧光蛋白快速定量分析厌氧条件下固氮酶表达水平的方法，借助这一新的技术手段，发现谷氨酰胺合成酶主要通过调节谷氨酰胺/α-酮戊二酸的比例来响应环境中的氮水平并调控固氮酶的表达，结合功能表征固氮酶转录活化子NifA的三个结构域，加深了对光合固氮菌生态适应机制的理解。.此外，本项目发展了一套高效的靶向分离技术，实现了甲烷氧化细菌的高效分离；并异源表达了CytC4，为揭示厌氧甲烷氧化古菌的胞外电子传递机制奠定了基础。而甜菜碱和四氢嘧啶是两种常见的含氮相容性溶质，对于滨海湿地高盐环境中微生物的盐耐受发挥着重要作用，该项目阐明了微生物碳氮硫代谢与高盐环境耐受之间的偶联机制。.总之，我们通过将固氮酶催化CO2还原生成甲酸这一概念引入到了元素循环研究中，同时对光合固氮菌如何响应环境中的氮信号进而调控固氮酶的表达进行了研究，使我们对光合固氮菌驱动的物质和能量传递及其生态适应机制有了新的理解和认识。