在無氧和缺氧條件下，許多細菌可利用硝酸根和亞硝酸根作為電子受體進行無氧呼吸，包括異化型硝酸鹽還原成銨（dissimilatory nitrate reduction (DNR) to ammonia，DNRA）和反硝化脫氮（denitrification）兩種相互競爭的DNR途徑，在氮元素的生物地球化學(xué)循環(huán)中扮演重要角色。大規(guī)模工業(yè)固氮和氮肥施用引起對大氣存留時間長、增溫效應(yīng)強的溫室氣體氧化亞氮釋放提高的擔(dān)憂，其百年全球變暖潛勢（GWP）約為二氧化碳的300倍。 

　　羅伊希瓦氏菌（Shewanella loihica）PV-4菌株同時擁有這兩個相互競爭的硝酸鹽還原途徑。早期研究揭示碳氮（C/N）比、碳源種類、pH值、溫度及硝酸根/亞硝酸根比都會影響PV-4菌株的氮代謝途徑。在高C/N比下，DNRA占優(yōu)勢，反硝化幾乎不發(fā)生；在低C/N比下，反硝化脫氮占優(yōu)勢。由于該菌株難以進行遺傳操作，硝酸鹽還原的分子調(diào)控機制未能加以研究。 

　　中國科學(xué)院水生生物研究所邱東茹研究員團隊敲除其PstI樣的限制-修飾系統(tǒng)基因后，在該菌株中得以進行遺傳操作（Qiu et al., 2016, Appl. Environ. Microbiol. 82(17): 5077-5088），為探討細菌氮代謝途徑的調(diào)控打下基礎(chǔ)。細胞第二信使環(huán)狀腺苷酸受體蛋白（cyclic AMP receptor protein）CRP是細菌中重要的全局調(diào)節(jié)因子，參與細胞分裂、饑餓應(yīng)答、運動和無氧呼吸等。在奧內(nèi)達希瓦氏菌（S. oneidensis MR-1）中，CRP為編碼周質(zhì)空間硝酸還原酶（NAP-beta）的napDAGHB基因簇、編碼亞硝酸還原酶NrfA和為兩者傳遞電子的CymA細胞色素的基因表達所必需。然而，科研人員發(fā)現(xiàn)敲除crp基因并不影響腐敗希瓦氏菌（S. putrefaciens W3-18-1）中編碼另外一個周質(zhì)空間硝酸還原酶（NAP-alpha）的napEDABC基因簇的表達和硝酸鹽還原，但影響NrfA和CymA介導(dǎo)的亞硝酸鹽還原成銨（Qiu et al., 2013, Appl Environ Microbiol., 79(17): 5250-5257; Wei et al., 2016, Microbiology, 162(6): 930-941）。 

　　在PV-4株中敲除crp基因后，DNRA同樣受到抑制，而反硝化脫氮過程得到促進，脫氮相關(guān)基因（nirK、norBC和nosZ）的表達得到上調(diào)。分析發(fā)現(xiàn)含銅的NirK亞硝酸還原酶基因不受CRP的直接調(diào)控，可能是間接的負調(diào)控。硝酸鹽還原過程中出現(xiàn)的亞硝酸根暫時積累現(xiàn)象在crp敲除后不再出現(xiàn)。無論C/N比高與低，均伴隨著一氧化氮和氧化亞氮氣體的釋放。說明CRP促進DNRA過程，卻抑制反硝化脫氮過程。比較基因組學(xué)分析顯示PV-4菌株中含有4個CRP同系物，而其他脫氮菌通常含有CRP2。進一步分析發(fā)現(xiàn)低C/N比會誘導(dǎo)crp2的表達；nirK上游含有保守的CRP2識別的結(jié)合位點，人為過量表達crp2可以誘導(dǎo)nirK的轉(zhuǎn)錄，因此CRP2可能參與對反硝化脫氮的正調(diào)控（Liu et al., 2020, Appl Environ Microbiol., 在線提前發(fā)表）。這些結(jié)果說明環(huán)狀腺苷酸及其受體CRP家族在細菌對環(huán)境碳/氮比的感知及DNRA和反硝化脫氮途徑的抉擇中發(fā)揮關(guān)鍵作用。在氮源（電子受體）相對不足時，選擇DNRA途徑產(chǎn)能較多，而所需的電子供體也較多，所釋放的銨根依然可被吸收來合成氨基酸和蛋白質(zhì)加以同化；在碳源（電子供體）不足時，選擇反硝化脫氮途徑所需的電子供體較少、以單位碳源計所產(chǎn)生的能量較多，可節(jié)省碳源用于細胞生長與繁殖，但是會造成生物可吸收同化的活性氮元素的損失。這是細菌經(jīng)過長期進化所形成的基于限制性因子的變化而采取不同的物質(zhì)和能量代謝途徑，以充分利用限制性因子實現(xiàn)能量產(chǎn)生和細胞生長量最大化的分子調(diào)節(jié)機制。這些結(jié)果對微生物驅(qū)動的氮元素生物地球化學(xué)循環(huán)的理解和溫室氣體氧化亞氮排放的控制有參考作用。  

　　該論文已經(jīng)在線發(fā)表于美國微生物學(xué)會主辦的《應(yīng)用與環(huán)境微生物學(xué)》（Applied & Environmental Microbiology）上，博士生劉雙元和助理研究員戴景程為共同第一作者，邱東茹研究員為通訊作者。該研究受到國家自然科學(xué)基金委員會“水圈微生物驅(qū)動生物地球化學(xué)循環(huán)的機制”重大研究計劃培育項目的支持。 

　　圖 羅伊希瓦氏菌中細胞第二信使環(huán)狀腺苷酸受體蛋白家族成員CRP1和CRP2在高、低碳氮比條件下分別促進異化硝酸鹽還原成銨（DNRA）和反硝化脫氮 

　　文章鏈接：https://aem.asm.org/content/early/2020/11/02/AEM.01964-20