微生物所李洁团队合作揭示多聚磷酸盐调控深海产甲烷古菌生长和产甲烷的新机制

近日，中国科学院微生物研究所李洁团队与中国科学院海洋研究所孙超岷团队合作在《美国国家科学院院刊》（PNAS）发表了题为“Polyphosphate affects the growth and methanogenesis of deep-sea methanogenic archaea”的研究论文。该研究系统揭示了深海产甲烷古菌中多聚磷酸盐（polyP）代谢与生长及产甲烷过程之间的耦合机制，为理解深海厌氧微生物在寡营养环境中的磷元素获取与能量代谢策略提供了全新视角，也为进一步认识深海冷泉生态系统中碳循环与磷循环的耦合关系奠定了重要基础。

在深海生命体系中，产甲烷古菌是驱动全球甲烷循环的重要力量，尤其在甲烷通量显著的冷泉生态系统中扮演重要角色。磷作为生命必需的元素，常以无机磷酸盐形式被微生物利用，但在深海环境中，无机磷极为稀缺，而有机磷却相对丰富。然而，产甲烷古菌如何在磷限制条件下维持生长与代谢，长期以来缺乏系统性的认知。多聚磷酸盐作为一种广泛存在于细菌和真核生物中的磷/能量储存分子，其在古菌尤其是产甲烷古菌中的生理功能几乎未知。

本研究从南海冷泉和海山沉积物中成功分离出8株深海产甲烷古菌（隶属于Methanobolus属），发现这些菌株胞内普遍存在多聚磷酸盐颗粒。研究团队以其中一株代表性菌株ZRKC1作为研究模型，首次明确了该菌株中多聚磷酸盐代谢的关键酶系（PPK1和PPK2）；证明了多聚磷酸盐不仅是磷的储存库，更是连接环境磷供给与细胞核心代谢的重要枢纽；解析了在无机磷缺乏条件下，ZRKC1通过上调两个磷酸酯酶（V7059_RS02375和V7059_RS09360）、磷酸特异性转运系统（Pst系统）和ppk1，利用复杂有机磷源的代谢策略。在南海冷泉原位环境下，发现磷酸获取、多聚磷酸盐合成及产甲烷相关基因同样显著上调，提示该代谢策略在自然环境中具有生物学相关性。

该研究揭示了深海产甲烷古菌通过多聚磷酸盐代谢实现磷元素高效利用和能量储存的适应机制，拓展了对古菌磷代谢多样性的认知，也为理解深海冷泉生态系统中磷循环与甲烷循环的耦合提供了新的分子证据。同时，研究进一步印证了“深海并非代谢孤岛”的观点，凸显了深海微生物在元素生物地球化学循环中的主动调控角色。

中国科学院海洋研究所副研究员郑日宽和王崇为论文共同第一作者，中国科学院海洋研究所孙超岷研究员及中国科学院微生物研究所李洁研究员为文章共同通讯作者。本研究得到了国家自然科学基金重点项目、国家自然科学基金创新研究群体项目及科学技术部国家重点研发计划等项目的资助。

论文链接：https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2608127123

深海产甲烷古菌驱动的碳磷元素循环耦合模式图