NC：宏基因组联合宏蛋白组分析揭示土壤微生物降解多酚

https://doi.org/10.1038/s41467-021-22765-1

水果、蔬菜、红酒和巧克力都富含多酚，这是一种天然的植物化合物，具有抗癌、抗氧化剂的双重作用。人们可以获得这些食物带来的健康益处，因为肠道中的微生物会愉快地享用它们，将其分解成更小的化学成分。

微生物，例如土壤中的微生物，能否同样分解人体外系统中多酚？美国科罗拉多州立大学土壤与作物科学副教授Kelly Wrighton领导的科研团队给出了答案。

近日，他们发表在Nature Communications的论文中提出了一个最新理论，多酚可以成为土壤中微生物的食物来源。研究结果可能推翻一个长期以来的理论，即在某些条件下，土壤微生物无法获取多酚，因此可以被用作碳“捕集器”，以减少大气中的温室气体。

“我们的研究打开了进一步研究多酚代谢及其如何适应自然碳循环的大门。”论文第一作者、土壤与作物科学博士Bridget McGivern说。

研究人员在实验室对土壤样本进行了高分辨率化学分析和精确监测。结果证明，在无氧条件下，土壤中的微生物确实能分解多酚类物质，可能会释放二氧化碳。

这些实验结果与长期存在的“酶锁”理论背道而驰，该理论认为，在湿地、泥炭地等地，当氧气无法自由获取时，土壤微生物不会代谢多酚。如果多酚类物质在无氧土壤中未被“消化”的情况属实，那就意味着用这些化合物填充土壤可能成为一个碳汇。

“我们知道多酚是非常黏稠的，因此人们认为，在土壤中，多酚不仅自身不会被分解，而且会附着在土壤中的其他碳和酶上，防止其他物质进一步分解。所以大家觉得，如果有一个已经崩溃的系统，比如退化的湿地，就可以往这个系统里添加含多酚的木屑等，再次淹没它，锁住所有的碳。” Wrighton解释。

肠道也是无氧环境，多酚在人体肠道中是如何分解的已广为人知。“多酚类物质的分解必须发生在肠道中，这样我们才能获得这些抗氧化剂，才能体验巧克力、红酒以及它们的所有好处。”Wrighton说。

但在另一个生态系统，这些化合物出现完全不同的情况。Wrighton推测，也可能是土壤环境的内在复杂性使多酚的表现不同。基于这个假设以及可用的先进化学工具，他们着手测试土壤中的微生物是否真的能在无氧条件下分解多酚。

美国能源部联合基因组研究所的合作者对土壤微生物组进行了宏基因组测序，提供了在微生物群落中发现的每个基因的“快照”。环境分子科学实验室的合作者进行了宏蛋白质组学研究，提供了样本中哪些基因表达哪些蛋白质的信息。

图1使用多酚模型研究土壤微生物代谢的实验框架

Fig. 1 Experimental framework using a model polyphenol to interrogate soil microbial metabolism

研究小组进一步分析了3种高分辨率、代谢识别化学物质。结果是，复杂的多酚化合物被微生物分离成小分子组分。

既然研究小组已经在实验室环境中证明了多酚是无氧区土壤微生物的食物来源，那么下一步就是探究其在野外环境中能否表现出同样的行为。于是，研究小组希望在瑞典的永久冻土系统中测试他们的理论。因为很多人认为其通过固碳具有减少温室气体的潜力。

McGivern说，接下来首先要做的是，建立一个计算基础平台，以更好地分类和识别与微生物多酚代谢相关的不同的酶。

图2. 土壤中多酚模型缺氧降解的代谢组学证据。

Fig. 2 Metabolomic evidence for anoxic degradation of a model polyphenol in soil.

图3组装的155个去重复的宏基因组的分类和检测土壤反应器基因组数据库中的基因组（MAG）。

Fig. 3 Taxonomy and detection of the 155 dereplicated metagenome assembled genomes (MAGs) in the soil reactor genome database.

图4. 基因组水平的宏蛋白质组学的工作流程。

Fig. 4 Workflow for genome-resolved metaproteomics.

图. 5多酚修饰的土壤微生物群落表现出明显的宏蛋白质组动态反应。Fig. 5 Polyphenol-amended soil microbial communities showed distinct and dynamic metaproteome responses.

图6宏蛋白质组数据支持Kosakonia、Holophaga和Sporomusales UBA7701降解多酚。

Fig. 6 Metaproteome data supported polyphenol degradation by Kosakonia, Holophaga, and Sporomusales UBA7701.

图7. 耦合后蛋白质组和代谢物数据表明，多酚改良剂不抑制土壤微生物代谢

Fig. 7 Coupled metaproteome and metabolite data indicated polyphenol amendment did not inhibit soil microbial metabolism

引文：Bridget B. McGivern, Malak M. Tfaily, Mikayla A. Borton, Suzanne M. Kosina, Rebecca A. Daly, Carrie D. Nicora, Samuel O. Purvine, Allison R. Wong, Mary S. Lipton, David W. Hoyt, Trent R. Northen, Ann E. Hagerman & Kelly C. Wrighton. (2021). Decrypting bacterial polyphenol metabolism in an anoxic wetland soil. Nature Communications 12, 2466, doi: https://doi.org/10.1038/s41467-021-22765-1

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