2024-08-09
細(xi)菌基因組(zu)denovo測序相關的多組(zu)學聯合分析再添(tian)高分文章啦(la)~ 近日，上海交(jiao)通大(da)學在《Journal of Hazardous Materials》期刊，發(fa)(fa)表新研究成(cheng)果！在環境污(wu)染治理的(de)(de)征途中(zhong)，我們迎來了一位新的(de)(de)超級英雄——Pseudarthrobacter sp. L1SW。這(zhe)一由上海交(jiao)通大(da)學的(de)(de)科學家們發(fa)(fa)現(xian)的(de)(de)細菌新種，以(yi)其卓越的(de)(de)菲(fei)（Phenanthrene，PAHs，一種多環芳烴(jing)污(wu)染物）降解能力，為(wei)環境修復領(ling)域帶來了革命性(xing)的(de)(de)突破。 本研究的測序和分析由(you)上(shang)海派森諾生物科(ke)技股份(fen)有(you)限公司完成。
研究(jiu)背景 多環芳烴（PAHs）是(shi)一類廣泛存在于水、空(kong)氣和土(tu)壤中，并(bing)對(dui)野生(sheng)動物和人類健康構成嚴(yan)重威脅的持久性(xing)有機污(wu)染物。 傳統上，PAHs的(de)清除方法不僅(jin)成(cheng)本(ben)高(gao)昂，還會對環境造成(cheng)二(er)次污(wu)染。隨著科技的(de)發展，微(wei)生物(wu)降(jiang)解作為(wei)一種綠色、高(gao)效的(de)解決(jue)方案，正(zheng)逐漸成(cheng)為(wei)環境治理的(de)新寵。Pseudarthrobacter sp. L1SW的(de)發現，更是將這一領域(yu)推向(xiang)了(le)新的(de)高(gao)度。
研究材料與(yu)方法(fa) 1、實驗材(cai)料(liao) 從某(mou)石化煉油廠污染場地分(fen)離得到一株假枝桿菌(jun)L1SW（Pseudarthrobacter sp. L1SW）。 2、測(ce)序平臺 Illumina、PacBio 3、分析(xi)內容(rong) 細菌完成圖、降解(jie)效率分析、HPLC、LC-MS、GC-MS、基因表達分析等。
研(yan)究結(jie)果(guo) L1SW降(jiang)解(jie)效率分析：高(gao)效且(qie)穩定降(jiang)解(jie)PAHs L1SW在LB平板(ban)上形成(cheng)的(de)菌落呈乳白色，不(bu)透明，直徑約為(wei)1-2毫米，邊緣整齊，質(zhi)地光(guang)滑(hua)，表(biao)面(mian)濕(shi)潤(run)。基于16S rDNA序列(lie)構建的(de)系統發育樹(shu)顯示，L1SW菌株與假枝桿菌屬成(cheng)員親(qin)緣關系密切。 圖1 L1SW菌株的(de)形態(tai)特(te)征與系統發育樹 評估(gu)L1SW菌株在不同濃度PAHs（50 mg/L至5 g/L）作(zuo)為唯一(yi)碳源下的(de)(de)(de)PAHs利用速(su)率(lv)。L1SW菌株能在48小時(shi)內(nei)降解(jie)高達93%的(de)(de)(de)500mg/L菲(fei)，并在72小時(shi)內(nei)處理掉95%的(de)(de)(de)3g/L菲(fei)，這一(yi)性能超(chao)越了(le)許多先前報道的(de)(de)(de)PAH降解(jie)菌株。此(ci)外，該菌株還能在含有高濃度重金屬(shu)（如鋅、鎳和鉻）的(de)(de)(de)環(huan)境(jing)中保持其降解(jie)能力，表明(ming)它對復(fu)雜和共污(wu)染環(huan)境(jing)具有良(liang)好的(de)(de)(de)適應性。 圖2 L1SW對PAHs的利用(yong)與降(jiang)解 L1SW代謝(xie)途徑的探索 利(li)用高效(xiao)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(le) L1SW降解(jie)菲過程(cheng)中的(de)中間代謝(xie)產物，鑒定(ding)出(chu)多(duo)個已知和一個新的(de)代謝(xie)產物，并推測了(le)主要的(de)降解(jie)途徑是通過鄰苯二甲酸(suan)途徑。 圖(tu)3 L1SW菌株(zhu)降解(jie)PAHs代(dai)謝(xie)產(chan)物(wu)的鑒定 菌株L1SW基因(yin)組(zu)學分析 對(dui)L1SW的(de)全基(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)因組(zu)序列進行了測定和(he)分(fen)析，組(zu)裝出完成圖，并(bing)對(dui)預測的(de)基(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)因進行了COG注釋，L1SW菌株的(de)基(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)因組(zu)中含有15個(ge)金(jin)屬(shu)抗性蛋白編碼基(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)因，包括鈷-鋅(xin)-鎘耐藥蛋白、砷(shen)抗性操縱子(zi)和(he)重金(jin)屬(shu)轉運P型ATP酶，這可能與其對(dui)重金(jin)屬(shu)的(de)高抗性有關。通過基(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)因組(zu)挖掘和(he)序列比對(dui)，發現了與PAHs降(jiang)解相關的(de)19個(ge)推定基(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)因，這些(xie)(xie)基(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)因分(fen)布在三個(ge)基(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)因簇中。這些(xie)(xie)基(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)因受到菲及(ji)其代謝(xie)物的(de)誘導。 圖4 L1SW的(de)基(ji)因組圖譜、COG功能分類和(he)基(ji)因組比較 降解PAHs基因的(de)表(biao)達(da)分析 利用(yong)RT-qPCR技術，分(fen)(fen)析(xi)L1SW在(zai)不(bu)同條件下相關基因(yin)(yin)的(de)(de)轉錄水(shui)平(ping)。以(yi)葡萄糖、菲、1-羥(qian)基-2-萘(nai)(nai)酸或鄰苯二甲酸作為唯一碳源培養，推測菲降解基因(yin)(yin)的(de)(de)轉錄水(shui)平(ping)。結果(guo)表明，啟動(dong)菲降解的(de)(de)酶編碼基因(yin)(yin)轉錄水(shui)平(ping)在(zai)菲和1-羥(qian)基-2-萘(nai)(nai)酸存在(zai)下顯著上(shang)調。經過36小時(shi)的(de)(de)培養后，相關基因(yin)(yin)的(de)(de)轉錄水(shui)平(ping)分(fen)(fen)別提高了(le)(le)8.4~9.7倍。這些結果(guo)不(bu)僅驗證了(le)(le)基因(yin)(yin)組分(fen)(fen)析(xi)預(yu)測的(de)(de)功能，還提供了(le)(le)關于特(te)(te)定化(hua)合物(wu)如何(he)誘導特(te)(te)定降解途(tu)徑的(de)(de)直接證據，從而深入理解L1SW菌株降解菲的(de)(de)分(fen)(fen)子機(ji)制。 圖5 RT-qPCR檢測L1SW菌株中PAHs降解基因的(de)表達水平 討論 基(ji)于中(zhong)間代(dai)謝(xie)產物(wu)和(he)功(gong)能基(ji)因，描(miao)繪了L1SW中(zhong)菲(fei)的(de)主要代(dai)謝(xie)途(tu)徑(jing)。在(zai)這(zhe)個途(tu)徑(jing)中(zhong)，菲(fei)首先被環羥(qian)化雙加氧(yang)酶催化生成鄰苯二甲酸，隨后經過氧(yang)化和(he)脫羧反應(ying)轉化為原兒茶酸。該化合物(wu)通過β-酮戊二酸途(tu)徑(jing)進(jin)入三羧酸循環，從(cong)而(er)實現對菲(fei)的(de)完全(quan)代(dai)謝(xie)。 圖6 L1SW菌株菲降解途徑(jing)的研(yan)究
結 論 本研究中(zhong)(zhong)，分離并鑒定(ding)(ding)了(le)一(yi)株具有高效(xiao)降(jiang)解菲(fei)能力(li)的(de)菌(jun)株，即Pseudarthrobacter sp. L1SW。該(gai)菌(jun)株展現出在(zai)(zai)多種環境條(tiao)件(jian)下穩定(ding)(ding)降(jiang)解菲(fei)的(de)能力(li)，包括不同的(de)鹽度(du)和堿度(du)、重金屬(shu)暴(bao)露(lu)以及(ji)(ji)表面活(huo)性(xing)劑存在(zai)(zai)的(de)情況。它主要通過鄰苯二甲酸途徑降(jiang)解菲(fei)，并形成了(le)一(yi)個新穎的(de)中(zhong)(zhong)間(jian)代謝產物(wu)。在(zai)(zai)L1SW中(zhong)(zhong)鑒定(ding)(ding)了(le)三個涉(she)及(ji)(ji)菲(fei)降(jiang)解的(de)基因簇(cu)，并據此提(ti)出了(le)菲(fei)的(de)代謝途徑。此項工作加深(shen)了(le)我們對(dui)革蘭氏陽性(xing)菌(jun)及(ji)(ji)植物(wu)生長促進根際細菌(jun)（PGPR）中(zhong)(zhong)菲(fei)降(jiang)解機制的(de)理解，為利(li)用(yong)微生物(wu)進行多環芳烴（PAHs）生物(wu)修復提(ti)供了(le)更多潛在(zai)(zai)菌(jun)株資源。 L1SW的(de)(de)發(fa)現(xian)，不僅是科學界的(de)(de)一大突破(po)，更是環境修復領域的(de)(de)一次革命。讓(rang)我(wo)們期待這一超級細菌在未(wei)來(lai)環境治理中的(de)(de)應用，共同守護我(wo)們美麗(li)的(de)(de)地(di)球(qiu)家園(yuan)。
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文章索(suo)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.
