在無氧和缺氧條件下，許多細(xì)菌可利用硝酸根和亞硝酸根作為電子受體進(jìn)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(shí)間長、增溫效應(yīng)強(qiáng)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(shí)擁有這兩個(gè)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(huì)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(jìn)行遺傳操作，硝酸鹽還原的分子調(diào)控機(jī)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(tuán)隊(duì)敲除其PstI樣的限制-修飾系統(tǒng)基因后，在該菌株中得以進(jìn)行遺傳操作（Qiu et al., 2016, Appl. Environ. Microbiol. 82(17): 5077-5088），為探討細(xì)菌氮代謝途徑的調(diào)控打下基礎(chǔ)。細(xì)胞第二信使環(huán)狀腺苷酸受體蛋白（cyclic AMP receptor protein）CRP是細(xì)菌中重要的全局調(diào)節(jié)因子，參與細(xì)胞分裂、饑餓應(yīng)答、運(yùn)動(dòng)和無氧呼吸等。在奧內(nèi)達(dá)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(xì)胞色素的基因表達(dá)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(gè)周質(zhì)空間硝酸還原酶（NAP-alpha）的napEDABC基因簇的表達(dá)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(jìn)，脫氮相關(guān)基因（nirK、norBC和nosZ）的表達(dá)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(fù)調(diào)控。硝酸鹽還原過程中出現(xiàn)的亞硝酸根暫時(shí)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?dú)怏w的釋放。說明CRP促進(jìn)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(gè)CRP同系物，而其他脫氮菌通常含有CRP2。進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)低C/N比會(huì)誘導(dǎo)crp2的表達(dá)；nirK上游含有保守的CRP2識別的結(jié)合位點(diǎn)，人為過量表達(dá)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(xì)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(shí)，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(shí)，選擇反硝化脫氮途徑所需的電子供體較少、以單位碳源計(jì)所產(chǎn)生的能量較多，可節(jié)省碳源用于細(xì)胞生長與繁殖，但是會(huì)造成生物可吸收同化的活性氮元素的損失。這是細(xì)菌經(jīng)過長期進(jìn)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(shí)現(xiàn)能量產(chǎn)生和細(xì)胞生長量最大化的分子調(diào)節(jié)機(jī)制。這些結(jié)果對微生物驅(qū)動(dòng)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(huì)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(huì)“水圈微生物驅(qū)動(dòng)生物地球化學(xué)循環(huán)的機(jī)制”重大研究計(jì)劃培育項(xiàng)目的支持。 

　　圖 羅伊希瓦氏菌中細(xì)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(jìn)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