α-变形杆菌甲烷氧化菌在甲烷严重限制条件下通过氢氧化增强生存优势的机制研究

这篇研究揭示了α-变形杆菌甲烷氧化菌（MOB）在甲烷（CH4）限制条件下的生存策略，发现其通过氢（H2）氧化途径维持能量代谢。研究证实甲基囊菌（Methylocystis）、甲基帽菌（Methylocapsa）和甲基弯菌（Methylosinus）三类菌株均编码多种[NiFe]氢化酶（Hyd-1h/Hyd-1d），在低氧（1% O2）和CH4限制条件下可立即启动H2氧化，且硫化氢（H2S）对CH4氧化的抑制显著强于对H2氧化的影响。该发现为理解湿地生态系统中甲烷氧化菌的适应性进化提供了新视角。

　　

α-变形杆菌甲烷氧化菌的氢氧化代谢机制

ABSTRACT

氢（H₂）和甲烷（CH₄）在湿地沉积物缺氧层产生后，会在表层有氧环境中被甲烷氧化菌（MOB）利用。本研究聚焦α-变形杆菌纲的甲基囊菌（Methylocystis bryophila）H2s^T、甲基帽菌（Methylocapsa aurea）KYG^T和甲基弯菌（"Methylosinus acidophilus"）29，揭示了它们在CH₄限制条件下的H₂氧化特性。

基因组潜力分析

三种菌株均编码多样化的[NiFe]氢化酶：保守的1h型高亲和力氢化酶（Hyd-1h）、1d型氧耐受氢化酶（Hyd-1d）以及调控型2b氢化酶（Hyd-2b）。甲基帽菌KYG^T独有的2a型氢化酶（Hyd-2a）可能具有大气H₂清除功能。值得注意的是，甲基囊菌和甲基弯菌还携带3b/3d型双向氢化酶，可能通过NAD(P)H再生参与碳同化。

代谢特性验证

在CH₄限制（最低80 ppm）和低氧（1% O₂）条件下：

1. 膜入口质谱（MIMS）显示甲基囊菌H2s^T的H₂氧化速率随时间加速，最高达24 μmol/min/g DW

2. CH₄添加可使H₂氧化速率提升38%，表明甲烷单加氧酶（pMMO/sMMO）参与电子传递

3. 稀释率从0.006降至0.0016 h^-1时，CH₄氧化活性下降61%，但H₂氧化速率保持稳定

生态适应性机制

1. 能量补充：H₂供给使甲基囊菌H2s^T生物量产量从5.8提升至13.1 g DW/mol CH₄

2. 抗逆特性：9.5 μM H₂S使CH₄氧化抑制达85%，而H₂氧化仅受50%影响，可能与bd型细胞色素氧化酶的抗硫特性相关

3. 转录调控：CH₄限制（非H₂供应）是氢化酶表达的主要诱导因素，Hyd-1h在限CH₄条件下表达量升高5倍

环境意义

该研究揭示了α-变形杆菌甲烷氧化菌通过H₂氧化维持能量平衡的双重代谢策略，阐明了其在CH₄/H₂/O₂/H₂S动态变化的湿地生态系统中的竞争优势。特别是Hyd-1h在极低CH₄浓度（<0.75 μM）时成为主要能量来源的发现，为理解自然环境中甲烷氧化的时空异质性提供了新依据。

Author Contributions

多学科团队合作完成本研究：Peterse和Pol负责实验设计与论文撰写，Cremers完成基因组分析，Berben进行质谱数据处理，van Alen参与转录组分析，Op den Camp和Veraart指导生态意义阐释，Lücker统筹项目推进。研究获得欧盟ERC（VOLCANO 669371和MARIX 854088）资助。