揭示深古菌来源的新型甲基转移酶作用于木质素来源的芳香族化合物

近日，上海交通大学深部生命国际研究中心地质微生物学团队在微生物领域经典期刊mLife上发表题为“Widespread Bathyarchaeia encode a novel methyltransferase utilizing lignin‐derived aromatics” 的研究论文。上海交通大学海洋学院助理研究员余甜甜、上海交通大学生命科学技术学院博士生胡海宁、曾宪烘为本文的第一作者，上海交通大学海洋学院教授王风平为本文的通讯作者，海洋学院长聘教轨副教授Donald Pan、长聘教轨助理教授邓龙辉为本文的合作者。

木质素是一种难降解的复杂芳香族聚合物，占维管植物干重的25%，在近岸沉积物中木质素占总有机碳的20%-50%。木质素降解是陆地和海洋生态系统中全球碳循环的一个主要过程。木质素主要由对羟基苯基(H)、愈创木酰基(G)和丁香基(S)三种芳香单体组成，其中后两种单体是甲氧基芳香化合物(ArOCH₃)，木质素中1.24%-24.1%的碳以甲氧基形式存在。甲氧基芳香化合物的去甲基化、芳香环的裂解和进一步降解是厌氧环境下木质素分解的主要过程。深古菌是全球丰度最高的微生物之一，广泛分布于全球海洋沉积物环境中，是近岸海洋沉积物中的优势微生物类群。前期研究结果表明，深古菌具有降解木质素功能，然而其降解机制仍未知。

图1 深古菌在富集体系中的相对丰度及生长曲线

本研究采集近岸沉积物样品，并在厌氧条件下添加木质素进行富集培养。经过长达六年的实验室连续传代培养，获得了深古菌的培养体系，并添加抗生素后，深古菌的相对丰度接近90%（图1），将其命名为Candidatus Baizosediminiarchaeum ligniniphilus DL1YTT001 (Ca. B. ligniniphilus)。

图2 深古菌中心碳代谢途径

同时本研究通过对深古菌Ca. B. ligniniphilus富集体系的基因组、转录组和代谢组数据的挖掘，发现Ca. B. ligniniphilus基因组中包含一种新型甲基转移酶1 (methyltransferase 1, MtgB)，可将木质素单体上的甲氧基转移到cob(I)alamin上（图2）。

图3 深古菌来源mtgB的异源表达和转甲基活性的验证

MtgBs与已知的微生物甲基转移酶没有同源性，并且目前只发现存在于深古菌的基因组中。mtgB基因的异源表达证实了该酶的转甲基活性（图3）。

图4 深古菌来源的转甲基酶基因mtgB在东海沉积物中的丰度和表达情况

同时该研究发现mtgB基因广泛存在于全球的近岸沉积物中，并且在东海沿海沉积物中高表达（图4）。这些发现表明，深古菌表达的MtgB可能在近岸沉积物中木质素厌氧降解过程中发挥重要作用。这些发现揭示了木质素降解微生物的代谢和进化，并为理解地球环境中微生物介导的碳循环提供了新的认识。

该研究得到深部生命国际研究中心（IC-DLI）的支持，并获得国家自然科学基金（42276139, 42230401, 42141003, 41921006, 92051116 和 91951209）、上海交通大学 “交大2030”计划（Grant WH510244001）和中国博士后创新人才支持计划（BX20190204）的资助。

原文链接

onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/mlf2.12082