前沿 | 资源与环境科学学院赵方杰团队揭示了水稻土中甲基砷脱甲基的微生物学机制

时间:2021-11-05浏览:4285

砷是土壤中广泛存在的有毒类金属元素。土壤中砷的化学形态众多,不同形态砷的生物毒性迥异。稻田系统砷的形态转化与循环对水稻生产和稻米安全有重要的影响,近年来引起广泛关注。稻田淹水条件促进了土壤微生物对砷的还原和甲基化,产生单甲基砷(MAs)和二甲基砷(DMAs)等形态。其中,二甲基砷(DMAs)的积累可诱发水稻生理病害“直穗病”(又称“青立病”),造成水稻减产。而三价的单甲基砷(MAs(III))具有抗生素的功效,可抑制一些微生物的生长。与此同时,土壤中的一些微生物可将甲基砷脱甲基,从而构成砷甲基化与脱甲基的循环。

赵方杰团队前期的研究表明,稻田土壤中有些硫酸盐还原菌可将无机三价砷甲基化,而一些厌氧产甲烷古菌可将二甲基砷脱甲基为单甲基砷(ISME J, 2019, 13: 2523-2535),但是单甲基砷如何进一步脱甲基尚不清楚。基于这一科学问题,该团队通过土壤微宇宙实验和厌氧富集培养,发现反硝化细菌参与了MAs(III)的厌氧脱甲基过程。随后,从富集培养中分离得到一株同时具有MAs(III)脱甲基能力和厌氧反硝化能力的芽孢杆菌Bacillus sp. CZDM1,并克隆到催化MAs(III)脱甲基的功能基因arsI。通过异源表达实验证明该基因编码的蛋白可以在反硝化条件将MAs(III)脱甲基,并且菌株仅能在反硝化条件下将MAs(III)脱甲基,在发酵条件下不具备该能力,说明厌氧条件下MAs(III)脱甲基过程与反硝化过程耦合,反硝化过程的中间产物可能为ArsI酶裂解C-As键提供含氧供体。通过生物信息学分析,发现微生物基因组中arsI与异化硝酸盐还原基因narG 或napA共存现象普遍。研究结果揭示了厌氧条件下MAs(III)的脱甲基过程及机制,证明了反硝化细菌在单甲基砷的脱甲基过程起重要作用(图1)。该研究结果对调控稻田土壤砷循环、防控水稻直穗病有重要指导意义。

图 SEQ Figure \* ARABIC 1.微生物介导的稻田土壤砷甲基化与脱甲基过程

该研究结果以“Demethylation of the antibiotic methylarsenite is coupled to denitrification in anoxic paddy soil”为题目在Environmental Science & Technology在线发表。师资博士后陈川为论文第一作者,赵方杰教授为通讯作者。本项目研究得到了国家自然科学基金项目的资助。

文章链接:https://doi.org/10.1021/acs.est.1c04167