2024年6月11日，进化所双聘教授张晓华团队在微生物学顶尖期刊Nature Microbiology上在线发表了题为“Alternative dimethylsulfoniopropionate biosynthesis enzymes present in diverse and abundant microbes”（在微型生物中广泛存在的新型DMSP合成酶）的最新研究成果。
二甲基巯基丙酸内盐（DMSP）是地球上最丰富的有机硫分子之一。在海洋中，微生物及藻类裂解DMSP产生的二甲基硫（DMS），溢出到大气后，经光氧化反应形成硫氧化物颗粒，后者可作为云凝结核促进云的形成，减弱太阳光辐射至地表的强度，起到“冷室气体”的效果，对全球气候变暖产生负调控作用。这些硫氧化物进一步通过大气环流、降水等物理过程从大气转移至陆地，然后通过河流返回海洋，实现海洋、大气和陆地之间硫元素的循环流转。因此，DMSP和DMS在全球硫循环和气候变化中发挥着至关重要的作用。然而，目前关于合成DMSP的生物类群及其合成机制尚不完全清楚，限制了我们对全球硫循环和气候变化的理解。
该项研究利用分子生物学等手段从盐沼植物的根际细菌中鉴定出了一种新型双结构域的DMSP合成酶DsyGD，具有甲基转移酶结构域DsyG和脱羧酶结构域DsyD，通过甲基转移和脱羧作用将DMSP转氨基通路的中间产物催化合成DMSP。进一步对678个藻类的转录组进行分析，发现多种藻类中含有与DsyG亲缘关系较远的蛋白，被命名为DSYE。DSYE同样具有催化转氨基通路的中间产物合成DMSP的活性，并且DSYE编码基因的全球丰度超过了先前已知的藻类DMSP合成基因。藻类培养实验也证明了这些含有DSYE的藻类能够合成高浓度的DMSP，而此前未有报道这些藻类具有DMSP合成能力。这些新发现的DMSP合成藻类在全球广泛分布，其中抑食金藻（Aureococcus anophagefferens）是我国近几年褐潮暴发的主要浮游微藻，为海洋生态系统贡献了大量的DMSP。该项研究极大地扩充了DMSP合成微型生物的种类，强调了含DSYE的藻类在海洋硫循环中的重要性。
海洋细菌及浮游藻类中新型DMSP合成酶的发现表明，海洋微型生物在驱动全球硫循环和调节气候变化方面的作用被严重低估。这些新型DMSP合成基因可以作为生物合成DMSP的报告基因，对海洋环境中DMSP的来源、分布以及海洋微型生物在其中的贡献进行重新评估，对深入理解全球硫循环和气候变化有重要科学意义。
该研究是张晓华教授团队继首次发现海洋细菌能够合成DMSP并鉴定出其关键基因dsyB（Nature Microbiology, 2017, 2: e17009）以及细菌是深海无光和高压环境下的重要DMSP生产者（Nature Communications, 2020, 11: 4658）的研究之后，在微型生物合成DMSP并驱动海洋硫循环的又一重要标志性成果。
张晓华教授与英国东英吉利大学Jonathan D. Todd教授为共同通讯作者。第一作者为张晓华教授的博士毕业生王金燕（现就职于本校海洋化学理论与工程技术教育部重点实验室博士后）。该项工作同时得到了波尔图大学、青岛农业大学及山东大学的大力支持，充分彰显了学科交叉与国际合作的重要性。
本研究工作获得了国家自然科学基金委“水圈微生物驱动地球元素循环的机制”重大研究计划集成项目（92251303）、中国海洋大学中央高校基本科研业务费（202172002）等项目的资助。
图1 DMSP合成基因、通路、合成物种多样性及全球分布
图2张晓华教授（左一）和本文第一作者王金燕博士（右一）
通讯员：张晓华
全文链接：https://www.nature.com/articles/s41564-024-01715-9
