2024-08-09
細菌基因組denovo測序相關的多組學聯合分析再添高分文章啦~ 近日，上海交通大學在《Journal of Hazardous Materials》期刊，發表新研究成果！在環境污染治理的征途中，我們迎來了一位新的超級英雄——Pseudarthrobacter sp. L1SW。這一由上海交通大學的科學家們發現的細菌新種，以其卓越的菲（Phenanthrene，PAHs，一種多環芳烴污染物）降解能力，為環境修復領域帶來了革命性的突破。 本研究的測序和分析由上海派森諾生物科技股份有限公司完成。
研究背景 多環芳烴（PAHs）是一類廣泛存在于水、空氣和土壤中，并對野生動物和人類健康構成嚴重威脅的持久性有機污染物。 傳統上，PAHs的清除方法不僅成本高昂，還會對環境造成二次污染。隨著科技的發展，微生物降解作為一種綠色、高效的解決方案，正逐漸成為環境治理的新寵。Pseudarthrobacter sp. L1SW的發現，更是將這一領域推向了新的高度。
研究材料與方法 1、實驗材料 從某石化煉油廠污染場地分離得到一株假枝桿菌L1SW（Pseudarthrobacter sp. L1SW）。 2、測序平臺 Illumina、PacBio 3、分析內容 細菌完成圖、降解效率分析、HPLC、LC-MS、GC-MS、基因表達分析等。
研究結果 L1SW降解效率分析：高效且穩定降解PAHs L1SW在LB平板上形成的菌落呈乳白色，不透明，直徑約為1-2毫米，邊緣整齊，質地光滑，表面濕潤。基于16S rDNA序列構建的系統發育樹顯示，L1SW菌株與假枝桿菌屬成員親緣關系密切。 圖1 L1SW菌株的形態特征與系統發育樹 評估L1SW菌株在不同濃度PAHs（50 mg/L至5 g/L）作為唯一碳源下的PAHs利用速率。L1SW菌株能在48小時內降解高達93%的500mg/L菲，并在72小時內處理掉95%的3g/L菲，這一性能超越了許多先前報道的PAH降解菌株。此外，該菌株還能在含有高濃度重金屬（如鋅、鎳和鉻）的環境中保持其降解能力，表明它對復雜和共污染環境具有良好的適應性。 圖2 L1SW對PAHs的利用與降解 L1SW代謝途徑的探索 利用高效液相色譜（HPLC）、液-質聯用（LC-MS）和氣相色譜-質譜聯用（GC-MS）技術，分析了 L1SW降解菲過程中的中間代謝產物，鑒定出多個已知和一個新的代謝產物，并推測了主要的降解途徑是通過鄰苯二甲酸途徑。 圖3 L1SW菌株降解PAHs代謝產物的鑒定 菌株L1SW基因組學分析 對L1SW的全基因組序列進行了測定和分析，組裝出完成圖，并對預測的基因進行了COG注釋，L1SW菌株的基因組中含有15個金屬抗性蛋白編碼基因，包括鈷-鋅-鎘耐藥蛋白、砷抗性操縱子和重金屬轉運P型ATP酶，這可能與其對重金屬的高抗性有關。通過基因組挖掘和序列比對，發現了與PAHs降解相關的19個推定基因，這些基因分布在三個基因簇中。這些基因受到菲及其代謝物的誘導。 圖4 L1SW的基因組圖譜、COG功能分類和基因組比較 降解PAHs基因的表達分析 利用RT-qPCR技術，分析L1SW在不同條件下相關基因的轉錄水平。以葡萄糖、菲、1-羥基-2-萘酸或鄰苯二甲酸作為唯一碳源培養，推測菲降解基因的轉錄水平。結果表明，啟動菲降解的酶編碼基因轉錄水平在菲和1-羥基-2-萘酸存在下顯著上調。經過36小時的培養后，相關基因的轉錄水平分別提高了8.4~9.7倍。這些結果不僅驗證了基因組分析預測的功能，還提供了關于特定化合物如何誘導特定降解途徑的直接證據，從而深入理解L1SW菌株降解菲的分子機制。 圖5 RT-qPCR檢測L1SW菌株中PAHs降解基因的表達水平 討論 基于中間代謝產物和功能基因，描繪了L1SW中菲的主要代謝途徑。在這個途徑中，菲首先被環羥化雙加氧酶催化生成鄰苯二甲酸，隨后經過氧化和脫羧反應轉化為原兒茶酸。該化合物通過β-酮戊二酸途徑進入三羧酸循環，從而實現對菲的完全代謝。 圖6 L1SW菌株菲降解途徑的研究
結 論 本研究中，分離并鑒定了一株具有高效降解菲能力的菌株，即Pseudarthrobacter sp. L1SW。該菌株展現出在多種環境條件下穩定降解菲的能力，包括不同的鹽度和堿度、重金屬暴露以及表面活性劑存在的情況。它主要通過鄰苯二甲酸途徑降解菲，并形成了一個新穎的中間代謝產物。在L1SW中鑒定了三個涉及菲降解的基因簇，并據此提出了菲的代謝途徑。此項工作加深了我們對革蘭氏陽性菌及植物生長促進根際細菌（PGPR）中菲降解機制的理解，為利用微生物進行多環芳烴（PAHs）生物修復提供了更多潛在菌株資源。 L1SW的發現，不僅是科學界的一大突破，更是環境修復領域的一次革命。讓我們期待這一超級細菌在未來環境治理中的應用，共同守護我們美麗的地球家園。
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文章索引：Li, JL, et al. Identification of an efficient phenanthrene-degrading Pseudarthrobacter sp. L1SW and characterization of its metabolites and catabolic pathway .J Hazard Mater.2024 Mar 5:465:133138.
