光诱导的类胡萝卜素生成通过降低胞内活性氧（ROS）增强深海细菌的生长与高静水压（HHP）耐受性

《Applied and Environmental Microbiology》：Light-induced carotenogenesis enhances growth and high hydrostatic pressure tolerance in a deep-sea bacterium by reducing intracellular ROS

　　

深海热液喷口会发出地热光，但其在塑造微生物适应性中的生态作用仍很大程度上未被探索。为研究此问题，研究人员设计了一种同时施加高静水压（HHP）和光照的定制培养系统，并用其从Kairei热液区采集的活跃烟囱碎片中分离出12株细菌。所有12株分离菌在光照下均表现出增强的生长。其中，菌株SY138被鉴定为一种新的Microbacterium物种，并被选作机制研究对象。研究结果表明，光照直接诱导SY138中的类胡萝卜素生物合成，进而降低胞内活性氧（ROS）水平。使用fosmidomycin抑制类胡萝卜素合成，既消除了ROS降低效应，也消除了光依赖性的生长促进，从而证实类胡萝卜素对这一生理反应至关重要。值得注意的是，虽然HHP通过升高胞内ROS严重抑制生长，但光诱导的类胡萝卜素生成有效抵消了这种氧化应激，并缓解了HHP引起的生长抑制。总之，这些发现揭示了一种先前未被识别的适应性策略：深海热液喷口细菌利用地热光作为环境信号，激活基于类胡萝卜素的抗氧化防御，从而增强其在HHP条件下的生存能力。这项研究强调了光在极端深海生态系统中微生物胁迫耐受性方面此前被低估的作用。

深海热液喷口环境同时存在高静水压（HHP）、黑暗和化学梯度，但地质过程产生的热辐射提供了持续的光子来源。长期以来，深海生态系统被认为仅依赖化能合成，然而在深海细菌中已发现光合色素、光感受蛋白和类胡萝卜素合成酶的存在，这引发了一个悖论：为何生活在永久黑暗中的深海细菌仍保留光感应和类胡萝卜素合成能力？本研究发表于《Applied and Environmental Microbiology》，研究人员推测光并非作为能量来源，而是作为环境信号，触发抗氧化防御以应对HHP引起的氧化应激。

研究人员利用自主设计的高压光照培养系统（HPI incubators），模拟原位30 MPa和1 mW/cm2光照条件，对采自Central Indian Ridge Kairei热液区（25.32°S, 70.04°E）2,495米深处的活跃烟囱碎片进行富集培养。样品由“深海勇士”号载人深潜器在TS10-3航次中采集，碎片置于无菌密封生物盒中保存。通过稀释涂布平板、反复划线纯化获得单菌落，结合16S rRNA基因测序鉴定。对目标菌株SY138进行全基因组测序（BGI SEQ-500和Nanopore平台），以SOAPdenovo组装。通过UV-Vis全波长扫描和UPLC-Q-TOF/MS鉴定色素组分。利用DCFH-DA荧光探针定量胞内ROS。使用fosmidomycin和MPTA分别抑制类胡萝卜素合成关键酶Dxr和番茄红素环化酶，以验证类胡萝卜素的功能。菌落面积用ImageJ软件测量。

**光促进生长的深海细菌的富集与分离**

研究人员在30 MPa和光照条件下对烟囱碎片进行富集培养。约1个月后，光照反应器中培养基浊度明显高于暗对照，表明光促进微生物生长。涂布平板后，光照组菌落数量和大小均大于暗处。经纯化和16S rRNA基因测序，共获得12株具有光促进生长表型的细菌，分属Microbacterium、Stutzerimonas、Achromobacter和Pseudomonas。其中Microbacterium菌株生物量更高且光促进表型更明显，可能与产色素有关。菌株SY138被选作进一步研究。基因组测序显示其具有3.92 Mb环状染色体，G+C含量为68.5%，编码3,715个蛋白编码基因。与最相近的模式菌株Microbacterium liquefaciens JCM 3879的平均核苷酸一致性（ANI）为88.81%，数字DNA-DNA杂交（dDDH）为35.5%，均低于物种界定阈值，表明SY138为Microbacterium属新物种。

**光促进菌株SY138的生长**

为分析光对SY138生长的影响，研究人员在0.1 MPa下进行液体和固体培养。液体培养中，光促进表型在指数期最明显，约25 h时生物量差异最大，ΔOD₆₀₀（光照减暗处）为0.29，较暗处提高1.69倍；光照组生长速率为0.03 h^?1，暗处为0.02 h^?1。固体培养中，两组菌落数量无显著差异，但光照组菌落面积平均为3.11±0.89 mm2，暗处为1.68±0.23 mm2（P<0.0001），表明光在群体和菌落水平均促进SY138生长。

**光诱导菌株SY138产生类胡萝卜素**

基因组分析未发现编码细菌叶绿素、视紫红质或细菌光色素的基因，排除光能转换机制。光照下菌落颜色加深，液体和固体培养均产生黄色色素。UV-Vis光谱显示特征吸收峰（314、327、391、415、437、468 nm），符合类胡萝卜素光谱。单位细胞色素产量（OD₄₃₇/OD₆₀₀）在光照下为0.13，暗处为0.04，提高3.35倍。全基因组分析显示完整的甲基赤藓醇磷酸（MEP）通路及类胡萝卜素合成基因簇，包括idi、ispA、crtB、crtI、crtY和crtEb/ubiA，上游有MarR家族转录调控因子。UPLC-Q-TOF/MS共检测到18种类胡萝卜素，其中ζ-胡萝卜素最丰富（占58.6%），其次为β-胡萝卜素（22.3%）。据此重建了该菌株的类胡萝卜素生物合成途径。

**光减轻HHP引起的生长抑制**

为研究光对HHP条件下生长的影响，研究人员使用高压光照耦合培养系统比较了0.1 MPa和30 MPa下的生长。0.1 MPa暗处最大生物量为OD₆₀₀=0.42，光照为0.67；30 MPa暗处最大生物量仅为0.28，生长速率0.007 h^?1，而光照下达到0.60，生长速率0.011 h^?1，最大生物量提高约2.14倍。30 MPa下色素产量在暗处为0.031±0.001，光照下为0.053±0.005；ROS水平在0.1 MPa暗处为18.16±1.96 RFU/OD₆₀₀，30 MPa暗处升至37.27±3.00，而光照使30 MPa下ROS降至21.10±1.64。结果表明HHP通过升高ROS抑制生长，光则通过促进类胡萝卜素合成降低ROS，缓解HHP抑制。

**菌株SY138的光促进生长依赖于类胡萝卜素**

为确立因果关系，研究人员添加fosmidomycin抑制MEP通路关键酶1-脱氧-D-木酮糖-5-磷酸还原异构酶（Dxr）。无抑制剂时，光照下色素产量为0.113±0.0045，暗处为0.026±0.004；加入1 mM fosmidomycin后，光照下降至0.036±0.0026，暗处为0.015±0.0028，同时光促进生长表型完全消失。ROS测定显示，无抑制剂时光照显著降低胞内ROS（11.95±0.90 vs 15.02±0.69 RFU/OD₆₀₀），加入抑制剂后光照与暗处ROS无显著差异（9.07±1.05 vs 9.51±0.56）。证明光促进生长依赖类胡萝卜素合成。进一步用MPTA抑制番茄红素环化酶，阻断下游环化类胡萝卜素生成，但光促进表型仍存在，总色素含量未显著改变，提示发挥抗氧化功能的主要是上游无环前体，ζ-胡萝卜素因其丰度最高可能是关键效应分子。

讨论部分指出，深海HHP是普遍胁迫因子，可通过升高ROS损害微生物。本研究揭示地热光诱导的类胡萝卜素生成是一种新适应策略：光不参与能量代谢，而是作为预警信号预先激活抗氧化防御。对印度洋热液喷口宏基因组分析显示，crtB和crtI同源基因分别出现在61.5%和84.6%的样本中，表明类胡萝卜素合成基因在热液微生物中广泛分布，可能是一种普遍适应性特征。

**结论**：总之，本研究表明，光这一在深海环境中通常被忽视的因素，可以作为热液相关细菌胁迫预适应的生理信号。光诱导的类胡萝卜素生物合成可缓解高静水压下的氧化应激，提示光感知赋予热液喷口微生物选择优势。尽管研究结果来自单株分离菌和受控实验室实验，但提出了关于深海微生物光感知系统生态分布及其在长期HHP压力下适应性贡献的新问题。后续研究需阐明该反应的遗传基础，并评估其在不同热液喷口栖息地中的分布。