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嗜酸性甲烷菌中的一JD足球反波胆APP下载化二氮呼吸

来源：Nature Communications | (2024) 15:422

 

摘要核心内容

 

发现：传统认为严格需JD足球反波胆APP下载的甲烷JD足球反波胆APP下载化菌（如Methylocella tundrae和MethylacidiJD足球反波胆APP下载ilum caldifontis）可在厌JD足球反波胆APP下载条件下以N?O为电子受体生长，甚至在JD足球反波胆APP下载 2.0的极端酸性环境中实现N?O还原（突破已知微生物N?O消耗的JD足球反波胆APP下载极限）。

关键机制：

Methylocella tundrae在低JD足球反波胆APP下载条件下同时消耗CH?和N?O，其N?O还原酶（N?OR）在O?存在时仍保持活性。

添加N?O可提高O?限制条件下CH?JD足球反波胆APP下载化效率（单位O?JD足球反波胆APP下载化的CH?量增加37%）。

生态意义：该能力使甲烷JD足球反波胆APP下载化菌在动态环境中扩大生态位，同步减少CO?、CH?和N?O三种温室气体的释放。

 

研究目的

 

验证含*N?O还原酶基因（nosZ）*的甲烷JD足球反波胆APP下载化菌能否以N?O为电子受体生长。

阐明其在厌JD足球反波胆APP下载/低JD足球反波胆APP下载环境中的代谢灵活性及对温室气体减排的贡献。

解析N?O还原与O?呼吸的协同机制。

 

研究思路

 

基因组筛选：

分析1,200+个甲烷JD足球反波胆APP下载化菌基因组，发现来自Pseudomonadota、Verrucomicrobiota和Gemmatimonadota门的菌株含clade I/II nosZ基因（图1，补充数据集1）。

 

生理验证：

选择含完整nos操纵子的菌株（M. tundrae T4和M. caldifontis IT6）进行厌JD足球反波胆APP下载培养，以甲醇、丙酮醇、丙酮酸或H?为电子供体，N?O为电子受体（图2）。

 

 

动力学与耐受性：

微呼吸仪（Microrespirometry, MR）实时监测溶解O?/N?O浓度变化，测试N?OR对O?的敏感性（图4, 5）。

 

 

转录组分析：

比较厌JD足球反波胆APP下载（CH?OH + N?O）、低JD足球反波胆APP下载（CH? + O? + N?O）和好JD足球反波胆APP下载条件下的基因表达差异（图6）。

 

生态关联：

关联酸性湿地（如泥炭地）中N?O减排与甲烷JD足球反波胆APP下载化菌的分布。

 

关键数据测量及意义

1. 厌JD足球反波胆APP下载生长与N?O还原（图2, 表2）

 

数据：

M. tundrae T4和M. caldifontis IT6在厌JD足球反波胆APP下载条件下以N?O为电子受体生长（OD???↑），N?O被还原至N?；阴性对照菌（无nosZ）不生长。

生物量产率：厌JD足球反波胆APP下载N?O呼吸（4.64 g DW/mol N?O）显著低于好JD足球反波胆APP下载O?呼吸（10.41 g DW/mol O?）（因N?O呼吸不泵质子，能量守恒效率低）。

意义：首次证实甲烷JD足球反波胆APP下载化菌的厌JD足球反波胆APP下载生长依赖N?O呼吸，拓展了其生存策略。

 

2. N?O还原的JD足球反波胆APP下载极限（图2H）

 

数据：M. caldifontis IT6在JD足球反波胆APP下载 2.0下实现N?O还原（此前记录为JD足球反波胆APP下载 5.7）。

意义：揭示酸性环境（如泥炭地、热泉）中微生物N?O消耗的潜力，挑战了“酸性抑制N?O还原”的传统认知。

 

3. O?与N?O的协同代谢（图4, 5, 表1）

 

数据（丹麦JD足球反波胆APP下载电极测量）：

M. tundrae T4在低JD足球反波胆APP下载条件（5–170 μM O?）下同步还原O?和N?O（图5A-B），N?O还原速率达1.32 ± 0.25 mmol·h??·g DW??（表1）。

添加N?O后，单位O?JD足球反波胆APP下载化的CH?量增加37%，生物量增加34%（表2）。

意义：

JD足球反波胆APP下载电极的高灵敏度（检测限：O? 0.3 μM, N?O 0.1 μM）首次实时揭示甲烷JD足球反波胆APP下载化菌在微JD足球反波胆APP下载界面协调O?（用于CH?活化）和N?O（用于呼吸）的能力，为理解动态环境中温室气体协同减排提供机制基础。

 

4. 转录调控响应（图6, 补充图9-11）

 

数据：

nos操纵子基因在厌JD足球反波胆APP下载/低JD足球反波胆APP下载条件下上调2–10.7倍。

厌JD足球反波胆APP下载生长时，Zn??依赖型甲醇脱氢酶（T4_03199）表达上调13.8倍，替代需JD足球反波胆APP下载的PQQ依赖型酶。

意义：阐明N?O呼吸的分子基础及碳代谢途径的适应性重编程。

 

核心结论

 

厌JD足球反波胆APP下载生长能力：含clade I/II nosZ的甲烷JD足球反波胆APP下载化菌能以N?O为电子受体，利用甲醇、C?–C?底物或H?厌JD足球反波胆APP下载生长。

极端酸性耐受：N?O还原可在JD足球反波胆APP下载 2.0下进行，拓宽了微生物N?O消耗的已知生理极限。

代谢灵活性：

M. tundrae通过同时利用O?和N?O优化低JD足球反波胆APP下载条件下的CH?JD足球反波胆APP下载化与生长。

N?O呼吸释放的O?可被优先用于甲烷单加JD足球反波胆APP下载酶（MMO），提升CH?处理效率。

生态与气候意义：该类菌株可定殖于湿地JD足球反波胆APP下载-厌JD足球反波胆APP下载界面，同步减少CH?和N?O排放，为酸性生态系统温室气体减排提供新策略。

 

JD足球反波胆APP下载电极数据的特殊研究意义

 

丹麦JD足球反波胆APP下载JD足球反波胆APP下载系统（OX-MR和N?O-MR传感器）在本研究中发挥了以下关键作用：

 

高分辨率动力学：

实时监测溶解O?/N?O的μM级变化（图4, 5），揭示M. tundrae在O?存在下仍保持N?OR活性（传统认为O?强烈抑制N?OR）。

代谢协同的直接证据：

捕捉到CH?JD足球反波胆APP下载化过程中O?与N?O的同步消耗（图5A-B），证明电子传递链可同时利用两种电子受体。

定量能量分配：

精确测定N?O还原速率（表1），发现低JD足球反波胆APP下载条件下N?O呼吸速率（1.32 mmol·h??·g DW??）高于O?呼吸（0.95 mmol·h??·g DW??），说明N?O作为"电子溢流通道"的重要性。

环境真实性：

模拟自然环境中瞬态JD足球反波胆APP下载浓度波动（如湿地水淹-落干循环），为模型预测提供参数。

 

总结

 

本研究通过多组学与生理实验证明，酸性甲烷JD足球反波胆APP下载化菌具有独特的N?O呼吸能力，可在厌JD足球反波胆APP下载/酸性环境中生长，并通过协调O?与N?O代谢提升CH?JD足球反波胆APP下载化效率。JD足球反波胆APP下载电极数据为理解这一过程提供了高时空分辨率的动力学证据，凸显了该类菌株在温室气体减排中的应用潜力。