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作者：闫涛,南京农业大学硕士在读,主要研究根际资源与微生物互作。 周刊主要展示LorMe团队成员优秀周报，每周定期为您奉上学术盛宴！本期周刊为您介绍海洋中微生物利用脱硫生物素摆脱生物素的营养缺陷，原文于2020年发表在《The ISME Journal》上。
生物素（VB7）是一种关键微量营养素，广泛参与生物体基本生化反应，对许多生物至关重要。许多海洋微生物是生物素营养缺陷型，依赖于其他生物的供应。脱硫生物素是生物素的主要前体，生物体通过生物素合酶（BioB）将脱硫生物素转化为生物素，海水中脱硫生物素的浓度与生物素相近。然而，脱硫生物素作为微生物系统中生物素合成前体的作用尚不得知。作者通过实验证明在脱硫生物素可用状态下，如果细菌保留bioB基因，可以克服生物素的营养缺陷问题。作者还对1068种细菌进行基因功能预测，生物素生物合成潜力在不同细菌类群之间差异很大，许多放线菌门和α变形菌门自身不能合成生物素，但有些只具有bioB；而绝大多数γ变形菌门和黄杆菌门都表达出最后四个关键的生物素合成基因。 为了解bioB基因单独存在，而合成途径上所有先前基因缺失的情况下，原核生物是否可以克服生物素的营养缺陷。作者筛选了三种生物素通路基因全部缺失的细菌（简称为生物素营养缺陷菌）以及三种仅存在bioB的细菌。培养实验表明，三种生物素营养缺陷菌中在不添加生物素或添加脱硫生物素情况下几乎无法生长，而添加生物素则可以正常生长（图1C、E、G）。而Celeribacter indicus（图1D）、Roseovarius mucsus（图1F）和Sulfitobacter sp.EE-36（图1H）都含有bioB，但是它们表现出不同的生长特征：无论是添加生物素还是脱硫生物素，C.indicus生长速率和产量均无显著差异，但两者都不添加时都不能生长；R.mucsus在添加生物素或脱硫生物素后生长显著增加，但在没有添加任何化合物时，也可以观察到R.mucsus微弱生长；Sulfitobacter sp.EE-36只在添加生物素时生长。说明C.indicus和R.mucsus可以将脱硫生物素转化为生物素利用。
图1.添加素或脱硫生物素后海洋玫瑰杆菌菌株生物素合成途径潜力及生长特性 添加生物素和脱硫生物素及共培养对P. minimum生长的影响 作者首先通过培养实验确定P.minimum只能利用生物素进行生长，之后将P.minimum与C.indicus进行了共培养实验，当加入脱硫生物素后P. minimum并不能生长。在排除碳源影响以及测定细胞生长情况后，推测C. indicus在生长过程中并不会分泌生物素供P.minimum使用。 V. campbellii和北海样品中的生物素和去硫生物素的浓度 作者测定了从北海采集的四个海水样品以及V.campbellii（可产生生物素）三个生长点的细胞内外的生物素和脱硫生物素浓度。在V.campbellii生长期间，细胞外脱硫生物素浓度显著高于细胞内脱硫生物素浓度，并且随着V.campbellii的生长，细胞内脱硫生物素数量逐渐降低，而细胞外脱硫生物素数量保持不变（图2），说明V.campbellii在生长过程中可以外排出脱硫生物素。在所有四个北海海水样本中都检测到生物素，但只在其中一个样本中检测到去硫生物素，与采样地点（河口、近岸、公海）无关（图2B）。
图2.V.campbellii三个生长时期细胞内外的生物素以及脱硫生物素浓度 原核生物生物素合成基因预测 作者检测了1068个海洋细菌基因组中bioF、bioA、bioD、bioB的存在情况，同时存在四个基因的细菌占总细菌数量的48.2%（图3B）。20.3%的细菌含有bioB，但是至少缺乏生物素途径的另一个基因，因此生长需要外源生物素或脱硫生物素。 不同的系统发育细菌类群在合成生物素能力上存在着巨大的差异（图3C）：大部分β变形菌纲（76.6%）、γ变形菌纲（91.1%）和黄杆菌纲（69.3%）同时拥有四个基因，可以自身合成生物素（图3中橙色部分）；可以使用脱硫生物素合成生物素（图3中黄色部分）的分别是梭菌纲（82.9%）、蓝藻纲（57.1%）和芽孢杆菌纲（29.4%）；而α变形菌门（57.3%）、异常球菌纲（93.8%）和放线菌门（46.8%）中四种基因同时缺乏（图3中灰色部分）的细菌比例最高。此外作者在目水平研究了α-和γ-变形菌纲，是α-变形菌纲在生物素合成潜能方面表现出显著差异（图3D），而γ变形菌纲生物素通路基因变异较小，并且绝大多数都可以通过自身通路合成生物素。
图3.水生细菌基因组中生物素生物合成功能的预测 大西洋泛基因组生物素的生物合成潜力 为了解原核生物群落生物素通路基因的生态学意义，作者将基因组分析与参考基因组目录起来，之后对横跨大西洋的62°S至47°N的纬度样带的近地表宏基因组进行了相似性分析。能够解释生物素合成潜力的原核生物群落的占比在2.8%至11.9%之间变化。同时具有四种通路基因的细菌的比例在整个样带的大多数地区是最大的，在热带和亚热带尤其高。然而，在南温带和亚南极地区，生物素通路基因同时缺乏的细菌至少占整个群落的一半。在这些区域，原核生物能够利用脱硫生物素合成生物素并克服潜在的营养缺陷的比例在总数的8.5至13.1%之间。在北温带大西洋，同时具有四种通路基因的细菌的比例至少占三分之二，剩下的三分之一大部分平均分配在剩余两种模式的原核生物之间（图4B）。
图4.不同地理位置中三种类型细菌的分布情况 只具有bioB而缺乏生物素合成通路前三个基因的细菌可以在提供低浓度的生物素前体脱硫生物素的情况下生长。在水生细菌中，通过摄取脱硫生物素来克服生物素营养不良缺陷的能力似乎非常高，在中营养海洋（如南温带和亚南极大西洋）中也占很大比例。尽管已知脱硫生物素存在于海洋环境中，但本文证明脱硫生物素也被生物素原营养细菌高浓度排出，另外研究结果表明，脱硫生物素对海洋中大量营养不良缺陷细菌群落起着重要作用，生物素前体在海洋生物素循环中具有前所未知的重要性。复杂的微生物生物素相互作用超越了简单的生物素交换，值得我们思考以及进一步的研究。 论文信息 原名：The overlooked role of a biotin precursor for marine bacteria - desthiobiotin as an escape route for biotin auxotrophy 译名：海洋细菌应对生物素缺乏的策略：利用生物素前体——脱硫生物素 期刊：The ISME Journal DOI：10.1038/s41396-022-01304-w 发表时间：2022.8 通讯作者：Gerrit Wienhausen 通讯作者单位：奥尔登堡大学 |
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