黄素依赖性NmoA介导元素硒氧化的分子机制及其对土壤硒生物有效性的调控作用

《Environment International》：Flavin-dependent NmoA catalyzes oxidation of elemental selenium: Regulation by riboflavin synthesis and role in enhancing soil selenium bioavailability

本研究针对元素硒(Se(0))氧化分子机制不明的科学问题，通过多组学联合分析发现黄素依赖性硝酸单加氧酶(NmoA)是Agrobacterium deltaense T3F4菌株催化Se(0)氧化为Se(IV)的关键酶，并揭示核黄素合成调控因子NrdR通过调控核黄素代谢间接影响硒氧化过程。该研究首次阐明了细菌Se(0)氧化的分子机制，为利用微生物强化土壤硒生物有效性提供了新策略。

　　

硒作为人体必需的微量元素，在全球范围内却呈现出"冰火两重天"的分布格局——约10亿人面临硒缺乏风险，而部分地区又因硒过量引发中毒现象。这种矛盾背后隐藏着一个关键科学问题：土壤中的元素硒(Se(0))难以被植物直接吸收，必须转化为可溶性的硒氧阴离子(Se(IV)/Se(VI))才能进入食物链。虽然早期研究发现某些微生物能够驱动这一转化过程，但其分子机制数十年来始终成谜。

发表在《Environment International》的这项研究，首次揭开了微生物介导元素硒氧化的神秘面纱。研究人员发现Agrobacterium deltaense T3F4菌株中的黄素依赖性硝酸单加氧酶(NmoA)是催化Se(0)氧化为Se(IV)的"主力军"，而核黄素代谢则通过双重途径（直接催化氧化和作为辅因子前体）协同参与该过程。这一发现不仅填补了硒生物地球化学循环的关键空白，更为解决全球性硒缺乏问题提供了新的微生物干预策略。

研究团队采用多组学联合分析、基因编辑、异源表达和盆栽实验等系统研究方法。通过iTRAQ蛋白质组学和代谢组学筛选候选靶点；利用基因敲除、回补和过表达技术验证NmoA功能；采用蛋白质纯化和体外酶活测定分析催化机制；通过异源表达核黄素合成基因簇证实代谢物功能；最后借助盆栽实验评估其对土壤硒生物有效性和植物吸硒能力的实际影响。

3.1. Agrobacterium deltaense T3F4氧化Se(0)为Se(IV)

研究人员发现Na₂S可显著增强T3F4菌株的Se(0)氧化能力，在同时添加Se(0)和Na₂S的条件下，Se(IV)产量比单独添加Se(0)提高70倍以上。这种促进作用源于Na₂S能够将固态Se(0)转化为纳米级可溶颗粒，极大提高了底物生物可利用性。

3.2. 差异蛋白质组学和代谢组学谱分析

多组学联合分析显示，在Se(0)胁迫下，黄素依赖性硝酸单加氧酶(NmoA)、黄素利用单加氧酶(FmoA)以及核黄素合成相关酶系均显著上调。特别值得注意的是，核黄素含量增加了3.65倍，提示其可能直接或间接参与Se(0)氧化过程。

3.3. NmoA参与T3F4的Se(0)氧化

通过基因功能验证实验证实，nmoA基因敲除株的Se(0)氧化能力下降90%，而回补株和过表达株分别提高50%和100%。异源表达实验进一步表明，转入nmoA基因的大肠杆菌氧化能力提升12倍。体外酶活实验证明NmoA在FMNH₂存在下可直接催化Se(0)氧化。

3.4. NmoA催化Se(0)氧化并提高土壤硒生物有效性

盆栽实验结果表明，接种野生型T3F4可使土壤有效硒含量提高12.9%，植物全株硒积累量增加32.1%。其中地上部硒含量提升21.4%，根部提升61.5%，充分证实了NmoA在增强土壤硒生物有效性和促进植物硒吸收中的关键作用。

3.5. 核黄素促进Se(0)氧化

研究发现核黄素不仅能直接氧化Se(0)，其合成还受到转录抑制因子NrdR的负调控。nrdR基因敲除株的硒氧化能力增强42%，而异源表达核黄素合成基因簇ribDEH可使氧化效率提高2.5倍。分子对接实验显示NrdR能与SeO₃^2-和硒代蛋氨酸(SeMet)直接结合，提示其可能通过感知硒信号来调控核黄素代谢。

这项研究首次绘制出微生物介导硒氧化的完整分子路径图：可溶性Se(0)进入细胞后，在细胞质中被NmoA酶系统氧化为Se(IV)，该过程依赖FMNH₂作为辅因子，而FMNH₂的供应又受核黄素合成代谢的调控。特别值得注意的是，与常见细菌采用核糖开关调控核黄素合成不同，T3F4菌株采用NrdR转录抑制机制，且其基因组背景（与丝氨酸羟甲基转移酶基因相邻）也不同于常规模式，这种独特的调控模式可能与其硒氧化功能特异性相关。

该研究的突破性意义在于将酶催化（NmoA）和代谢物功能（核黄素）有机整合，揭示了微生物驱动硒循环的"双引擎"机制。这不仅为理解硒生物地球化学循环提供了分子层面的新认知，更重要的是为开发基于微生物的硒生物强化技术奠定了理论基础。未来通过定向改造NmoA酶活性或调控核黄素代谢通路，有望培育出高效硒氧化工程菌株，为解决全球性硒缺乏这一重大公共卫生问题提供新的解决方案。