【期刊】一种具有利用碘酸盐驱动厌氧甲烷氧化潜力的新型微生物

中国科学院亚热带农业生态研究所朱宝利研究员和德国及瑞士合作者的文章“A novel Methylomirabilota methanotroph potentially couples methane oxidation to iodate reduction”于2022年8月9日在mLife 正式上线。该研究团队在前期发现基础上，基于微生物组学分析和代谢通路重建，从富含碘泉水的山洞内生物被膜（biofilm）宏基因组中，组装了一株新型厌氧甲烷氧化细菌——Candidatus Methylomirabilis iodofontis的基因组草图，并发现该菌具有利用碘酸盐驱动厌氧甲烷氧化的潜力。

背景介绍

甲烷是重要的温室气体，在20年尺度上，其温室效应潜能约是二氧化碳的85倍，微生物厌氧甲烷氧化(AOM)是重要的甲烷汇。十多年前，首个利用亚硝酸盐驱动AOM的Methylomirabilota细菌：Methylomirabilis oxyfera被报道。虽然M. oxyfera是厌氧细菌，但是它却通过“产氧反硝化”过程产生氧气，并利用产生的氧气完成好氧甲烷氧化。目前，人们对Methylomirabilota甲烷氧化菌代谢多样性的了解还非常有限。

科学发现

该团队发现一个富含碘（>20 mg l^-1）泉水积累的山洞，其空气甲烷浓度高达3000 ppm，在山洞顶部、侧壁以及水面下侧壁形成了大量的生物被膜（图1A）。16S rRNA扩增子测序显示，生物被膜中含有多种好氧甲烷氧化菌，而在水面下侧壁生物被膜中还有较高丰度的Methylomirabilota细菌存在。同时，透射电镜照片显示，水面下生物被膜中存在“星型”细胞（图1B），与M. oxyfera细胞形态相似。该团队对水下生物被膜进行了宏基因组测序，并成功组装了一个完整度大于70%的Methylomirabilota细菌基因组草图（bin48）。根据宏基因组中16S rRNA的reads数计算，Methylomirabilota细菌相对丰度高达14.3%，并且所有Methylomirabilota细菌的16S rRNA片段拼接成为一个完整的16S rRNA序列。该16S rRNA序列与M. limnetica的16S rRNA高度相似（>99%），但bin48与M. limnetica基因组间的相似度不高（AAI, 85.8%；ANI, 91.3%），因此该Methylomirabilota细菌被临时命名为Ca. Methylomirabilis iodofontis。

图1 山洞内顶部形成的大量生物被膜(A)和“星型”微生物细胞电镜图片(B) 

虽然山洞空气中甲烷浓度很高，但泉水中检测不到亚硝酸盐，并且硝酸盐浓度也很低（<0.2 mg l^-1），因此该团队对M. iodofontis主要代谢途径进行了分析。令人惊奇的是，除了好氧甲烷氧化以及“产氧反硝化”途径外（图2A），M. iodofontis基因组中还具有碘酸盐还原酶（IdrA和IdrB）编码基因簇。其基因簇中基因的排列顺序以及催化亚基基因序列与已知的碘酸盐还原酶一致且相似度较高，表明M. iodofontis菌可能同时具有甲烷氧化、产氧反硝化和碘酸盐还原的潜力（图2B）。但是，其利用碘酸盐驱动AOM的活性和功能还需要进一步验证。

图2 Ca. Methylomirabilis iodofontis菌具有完整的产氧反硝化和好氧甲烷氧化途径(A)，以及两种可能的碘酸盐还原途径(B)

总结展望

该研究结果扩展了Methylomirabilota甲烷氧化细菌代谢的多样性，并为一种新的潜在的甲烷氧化过程——碘酸盐驱动的AOM提供了基因组方面的证据。考虑到碘酸盐在海洋环境中的广泛分布，以碘酸为电子受体的厌氧甲烷氧化可能是一个被忽略但是重要的甲烷汇。

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https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/mlf2.12033
引用本论文：Zhu B, Karwautz C, Andrei S, Klingl A, Pernthaler J, Lueders T. A novel Methylomirabilota methanotroph potentially couples methane oxidation to iodate reduction. mLife. 2022. https://doi.org/10.1002/mlf2.12033

作者信息

第一作者兼通讯作者

朱宝利  研究员

作者单位：中国科学院亚热带农业生态研究所作者简介：朱宝利研究员以新型微生物过程和功能微生物为中心，在微生物碳、氮循环领域，特别是 “厌氧甲烷氧化”和“产氧反硝化”方向，做出了重要贡献。目前其实验室主要研究方向为农业微生物生态，具体关注微生物碳、氮、磷循环及其相互作用、农田温室气体（甲烷和氧化亚氮）的微生物代谢过程和调控机制、以及产氧反硝化关键功能微生物类群和其农田生态效应。目前主持国家自然科学基金面上项目和湖南省自然科学基金杰出青年项目，并获得中科院和湖南省人才项目支持。

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