海洋蓝细菌对氨基酸的吸收和代谢机制

The unicellular cyanobacteria Prochlorococcus and Synechococcus are the most abundant photosynthetic organisms on Earth, and contribute about 25% of photosynthesis in the oceans. In many oceanic regions, the availability of nitrogen source limits the growth of cyanobacteria. Although amino acids are abundant in the oceans and cyanobacteria seem to take up amino acids, cyanobacteria have not been shown to use amino acids as the sole nitrogen source. Our preliminary experiments proved for the first time that Prochlorococcus and Synechococcus can use amino acids as the sole nitrogen source. We also found that amino acid utilization reduced the carbon fixation rate of Prochlorococcus. In this grant proposal, we will first identify the genes encoding amino acid transporters and metabolic enzymes. We will then use biochemical methods to study their functions. We will also use RNA-seq to study how amino acid utilization affects the transcriptome of Prochlorococcus. Our results will reveal the molecular mechanisms by which marine cyanobacteria take up and utilize amino acids, and will ultimately deepen our understanding of the marine nitrogen and carbon cycle.

海洋光合自养微生物主要包括蓝细菌门的原绿球藻和聚球藻，它们是全球数量最多的光合作用生物，约贡献全球光合作用的四分之一。在很多海域，氮源缺乏制约了蓝细菌的生长，虽然海洋中的有机氮源氨基酸含量丰富，也有证据表明原绿球藻和聚球藻可以吸收氨基酸，但其分子机制并不清楚，而且也没有实验证明蓝细菌可以利用氨基酸为唯一氮源。本项目组的前期研究，在世界上首次发现原绿球藻和聚球藻可以把氨基酸作为唯一氮源，而且吸收利用氨基酸降低其固碳速度。本项目以原绿球藻和聚球藻为模式生物，综合运用微生物学、基因组学、转录组学、分子生物学和生物化学技术，找到海洋蓝细菌的氨基酸转运蛋白和代谢酶基因，深入研究其功能，最终阐明海洋蓝细菌吸收利用氨基酸的分子机理和代谢途径。本研究将深化我们对混合营养型微生物的代谢途径的认识，有助于完善海洋有机氮源的循环机制以及其对光合作用的影响，最终为理解海洋的氮碳循环提供科学依据。

原绿球藻和聚球藻是蓝细菌门的光合微生物，在海洋碳氮元素循环中起着举足轻重的作用。尽管原绿球藻和聚球藻被认为是光合自养生物，实验证据表明它们可以吸收利用海洋溶解有机物，包括葡萄糖和氨基酸，所以它们其实是混合营养型生物，但是蓝细菌吸收利用氨基酸的分子机制并不清楚。本项目利用海洋原绿球藻和聚球藻的三个代表藻株为模式生物，添加不同浓度的20种氨基酸和5种氨基酸类似物作为额外氮源，发现个别氨基酸或类似物可以抑制原绿球藻和聚球藻的生长。在此基础上，我们在半固体培养基上筛选了对氨基酸或类似物不敏感的突变株，一共测序53株，并通过比较基因组分析找到了关键氨基酸转运或代谢蛋白。为研究原绿球藻对病毒裂解所产生的氨基酸的利用机制，我们往原绿球藻培养液中添加病毒裂解产物，利用转录组测序分析发现几个关键的氮代谢基因的表达有显著性降低，包括控制氮源转化的glnB和gdhA,氨转运蛋白基因amt1，尿素转运蛋白基因urtA和urtB，氨基酸转运蛋白基因PMT0894，PMT0896和PMT0897。这些基因的表达量降低意味着病毒裂解产物中含有丰富的氨、尿素和氨基酸，这几个氨基酸转运蛋白很可能参与转运病毒裂解产物里比较丰富的氨基酸。我们还研究了噬菌体侵染对原绿球藻释放氨基酸的影响，我们发现原绿球藻的噬菌体裂解原绿球藻的时候展示出昼夜节律，一些噬菌体只有在白天才能侵染原绿球藻，然后在夜晚完成侵染周期并裂解原绿球藻从而释放子代噬菌体。噬菌体的昼夜侵染节律意味着，原绿球藻裂解释放有机物的过程也具有昼夜节律。由于原绿球藻是海洋中的主要初级生产者，噬菌体的昼夜侵染节律会导致海洋中的有机物浓度在夜间增高，从而影响海洋的碳循环，也影响原绿球藻的氨基酸释放。综上所述，本项目按计划完成了预期的研究目标，揭示了海洋蓝细菌吸收利用氨基酸的分子机制和代谢途径，阐明氨基酸对海洋蓝细菌的光合作用的影响，从而增强我们对混合营养型微生物的理解，最终完善海洋氮碳元素循环途径及其相互影响。