郭书竹|崔慧帅|张立涛|杨娜
中国科学院海洋研究所实验海洋生物学实验室，中国青岛市海军路88号，266400
摘要
尽管微生物对Mn(II)的氧化作用已被认为与深海铁锰结节的形成有关，但这一过程对本地细菌的生理益处仍知之甚少。虽然Sphingopyxis属细菌在结节环境中普遍存在，但其在纯培养条件下氧化Mn(II)的能力尚未得到证实。在这项研究中，我们从深海结节中分离出了Sphingopyxis MAB15菌株，并鉴定出两种参与该过程的多铜氧化酶（由ge000511和ge001504基因编码）。重组蛋白GE000511和GE001504在Cu依赖性实验中能够体外催化锰氧化物的形成。在营养受限条件下，添加MnCO3可促进生物合成锰氧化物的形成，同时伴随着更高的生物量积累和更低的特定氧气消耗。比较蛋白质组学分析显示蛋白质丰度发生了广泛变化，表明细胞资源分配发生了改变，包括多种与呼吸和氧化应激相关的蛋白质丰度降低，而生物合成和翻译相关组分的丰度增加。补充MnCO3的培养物还表现出较低的细胞内活性氧水平以及几种抗氧化酶的丰度降低，这与在Mn(II)和/或生物合成锰氧化物存在的情况下氧化应激减轻一致。总体而言，这些发现支持了Mn(II)氧化可能与改善营养受限条件下的生理表现相关的假设，并表明此类反应可能有助于深海铁锰结节的生物合成。
引言
深海铁锰结节代表了独特的底栖生境，其中蕴藏着大量的关键金属（Hein等人，2020年）。由于生物合成锰氧化物具有更强的金属吸附能力，从而促进了这些金属的富集（Li等人，2022年；Hu等人，2024年），微生物生物矿化被广泛认为是结节形成和生长的根本驱动力（Yu等人，2025年）。尽管非培养依赖性研究，特别是宏基因组学研究，揭示了这些结节中存在多种潜在的Mn氧化微生物（Bloethe等人，2015年；Zhang等人，2023年），但在遗传潜力与生理理解之间仍存在显著差距，这主要是由于缺乏可培养的代表性菌株（Wang等人，2020年）。因此，尽管已有大量报道指出微生物通过多种机制（包括酶促途径和代谢物介导的途径）氧化Mn(II)以生成生物合成锰氧化物（Tebo等人，2005年；Learman等人，2011年；Johnson等人，2013年；Daye等人，2019年；Yu和Leadbetter，2020年；Xue等人，2024年），但本地微生物如何通过这一过程促进结节形成仍不清楚。
Sphingopyxis属（阿尔法变形菌门）细菌在海洋环境中普遍存在，通常被描述为能够降解难降解有机物并在营养受限条件下生存的异养细菌（Matallana-Surget等人，2009年；Williams等人，2009年；Ting等人，2010年；Yang等人，2020年；Sharma等人，2021年；Wei等人，2023年；Sharma等人，2024年）。值得注意的是，16S rRNA基因调查显示Sphingopyxis是深海铁锰结节中的优势类群，其相对丰度明显高于周围沉积物（Molari等人，2020年）。这种富集现象表明Sphingopyxis在结节形成中起着关键但尚未明确的作用。虽然Sphingopyxis属细菌在共培养或联合体中与Mn(II)氧化有关（Liang等人，2016年；Liang等人，2017年；Piazza等人，2019年；Zheng等人，2023年），但纯培养的Sphingopyxis菌株直接氧化Mn(II)的能力从未得到证实，因此其对结节形成的贡献仍纯属推测。更重要的是，在以难降解有机物为主的深海营养受限生境中，这种能力的适应性价值仍不清楚（Lai等人，2024年）。与化能自养不同，在化能自养过程中Mn(II)作为能量来源（Yu和Leadbetter，2020年），异养细菌中的Mn(II)氧化具有其他功能，例如通过生物合成锰氧化物介导的复杂有机物降解来促进碳的获取（Sunda和Kieber，1994年；Luo等人，2022年；Sun等人，2025年），或解毒活性氧（ROS），这一机制主要在营养充足条件下进行研究（Archibald和Fridovich，1981年；Daly等人，2004年；Learman等人，2011年）。然而，直接证据表明Mn(II)氧化与特定的生存优势相关，尤其是在深海营养受限条件下，却非常有限。鉴于营养匮乏或难降解底物降解引起的代谢压力常常会引发氧化应激（Nyström，2004年），我们假设Sphingopyxis利用Mn(II)氧化作为一种主动的抗氧化策略，在营养受限条件下清除ROS，从而获得生存优势，最终可能促进结节生长。
在这项研究中，我们从深海铁锰结节中分离出了Sphingopyxis MAB15菌株，首次直接证实了Sphingopyxis属细菌在纯培养条件下的Mn(II)氧化能力，从而扩展了已知具有Mn(II)氧化能力的细菌谱系。通过整合基因组分析、体外酶学检测和比较蛋白质组学，我们鉴定出了参与Sphingopyxis中Mn(II)氧化的新多铜氧化酶。重要的是，我们揭示了一种先前未被认识的生理机制：Mn(II)氧化与全局代谢重组相耦合，可以在营养受限条件下减轻氧化应激并提高生长效率。这些发现为异养细菌如何利用Mn(II)氧化作为替代生存策略提供了机制上的解释，将微生物适应性与深海铁锰结节的形成联系起来。
细菌分离、培养和系统发育关系
MAB15菌株是从Kexue号科考船在NORC2020-581航次期间采集的深海铁锰结节中分离得到的（坐标：128°29′18.1761″E，21°7′36.6434″N）。用于细胞培养的基础培养基成分见表S1。为了研究MnCO3添加对生长的影响，按照Yu和Leadbetter（2020年）的方法，在基础培养基中加入了50 mM的MnCO3，形成了含有固体MnCO3相的悬浮液。未特意添加其他有机碳源。
Sphingopyxis sp. MAB15的锰氧化物形成
尽管在Mn(II)氧化联合体中经常检测到Sphingopyxis属细菌（Liang等人，2016年；Liang等人，2017年；Piazza等人，2019年；Zheng等人，2023年），但其在纯培养条件下的Mn(II)氧化能力尚未得到证实。为了解决这一知识空白，我们研究了与S. chilensis S37T有98.98% 16S rRNA基因序列相似性的MAB15菌株。在含有MnCO3的营养受限条件下培养时，MAB15菌株形成了
Sphingopyxis是深海结节中的一种新型Mn(II)氧化菌株
迄今为止，许多研究利用非培养依赖性技术（如宏基因组学调查）研究了深海铁锰结节中的微生物群落，发现了多种Mn氧化微生物（Bloethe等人，2015年；Zhang等人，2023年）。虽然这些研究确定Sphingomonadaceae家族是铁锰结节相关微生物联合体的主要成员之一（Molari等人，2020年），但其Mn(II)氧化能力的生理验证尚未完成
结论
本研究证明了Sphingopyxis MAB15菌株的Mn(II)氧化能力，并鉴定出两种参与这一过程的MCOs。添加MnCO3后，生物量增加，并且蛋白质组发生了广泛变化，表明在营养受限条件下向合成代谢过程转变。这些现象，加上活性氧信号的降低，支持了这样一个模型：在Mn(II)和/或生物合成锰氧化物存在的情况下，氧化压力减轻，从而促进了生长
作者贡献声明
郭书竹：撰写——初稿、方法学设计、实验设计、数据管理。杨娜：撰写——审稿与编辑、撰写——初稿、项目监督、方法学设计、实验设计、数据管理、概念构思。张立涛：撰写——审稿与编辑、方法学设计、实验设计。崔慧帅：撰写——审稿与编辑、方法学设计、实验设计、数据管理。
致谢
本研究得到了山东省自然科学基金[项目编号ZR2025MS504]、山东省博士后创新计划[项目编号SDCX-ZG-202303096]以及中国青岛市自然科学基金[项目编号23-2-1-174-zyyd-jch]的支持。我们感谢Kexue号科考船的首席工程师Changjie Liu在深海铁锰结节样本采集方面提供的帮助。
