南海颗粒有机物和溶解有机物宏蛋白质组学研究

摘要

海洋有机物（包括颗粒和溶解有机物）是全球最大的碳库之一，在全球碳循环中发挥着非常重要的作用。海洋有机物的来源、组成和降解及保护机制研究对深入了解海洋碳的生物地球化学过程和全球气候调节具有重要意义。
　　 本论文将鸟枪蛋白质组学方法应用于海洋有机物研究领域，建立了海洋有机物宏蛋白质组学研究方法，并结合生物信息学分析，比较研究了南海不同站位和不同水层颗粒和溶解有机物的蛋白组成特征，筛选、确认了与海区、水层生物组成特征相关的蛋白质生物标志物，揭示了海区颗粒和溶解性蛋白的生源性来源、分子功能、生物学过程以及蛋白的再矿化和抗降解机制。主要研究结果如下：
　　 (1)优化了海洋颗粒有机物蛋白提取方法，并运用鸟枪蛋白组学技术对颗粒蛋白进行了鉴定，从南海海盆区41 m水层颗粒有机物中鉴定到737个蛋白，其中184个为两个或两个以上肽段匹配的高可信度蛋白，如光合作用蛋白，转运蛋白，分子伴侣和孔蛋白(porins)等。除一些未知功能蛋白外，尚有相当数量的新蛋白也被检测到，这部分蛋白大约占总鉴定蛋白的30％。海洋颗粒有机物中大量、高可信度蛋白的成功鉴定证明鸟枪蛋白组学方法可应用于海洋颗粒蛋白的研究，为海洋有机物宏蛋白质组学研究提供了理论依据和技术支撑。
　　 (2)运用鸟枪蛋白质组学技术比较研究了南海上层(41 m和200 m)和中层(500 m和1000 m)颗粒有机物宏蛋白质组。从四个水层颗粒有机物中，一共鉴定到3035个一个或一个以上肽段匹配的蛋白，其中505个是两个或两个以上肽段匹配的高可信蛋白。蓝细菌是整个水柱颗粒蛋白的最大贡献者，而甲壳类动物和甲藻是200 m水层颗粒蛋白的两个主要贡献者。41 m和200m水层颗粒蛋白的亚细胞定位和生物学过程显著不同：41m水层含有丰富的光合作用相关蛋白，而微管蛋白和肌动蛋白则在中层积累，特别是在200m水层。孔蛋白(Porin)、ATP合成酶、营养盐转运蛋白、分子伴侣和胞外酶在颗粒有机物中被频繁检测到，但它们在整个水柱内呈现出不同的分布模式，揭示在不同水层颗粒有机物中或者在颗粒有机物下沉过程中，发生了复杂的生物地球化学过程。上层和中层颗粒蛋白的来源不同，参与细胞代谢、能量产生和转运功能的蛋白的数量和丰度随水深迅速减少。浮游动物“粪便打包”和膜的“包裹”作用可能在颗粒蛋白的保护中起着重要作用。
　　 (3)运用鸟枪蛋白质组学技术比较研究了来自南海表层（10m和75 m）和深海(3000 m)溶解性有机物宏蛋白质组。三个溶解性有机物中，一共鉴定到182个蛋白，它们被286个专一肽段所匹配。大分子溶解有机物(LDOM，0.2μm-0.7μm)组份中的蛋白数量要显著高于小分子溶解有机物组份(SDOM，5 kD-0.2μm)。表层和深海SDOM的蛋白数量之间没有明显的差异。表层DOM中溶解性蛋白的来源多样，包括各种类型的细菌、浮游植物和卵菌类，而古生菌、变形菌和某些浮游植物类群是深海DOM的主要贡献者。参与细胞骨架组织、能量产生和转化、蛋白翻译后修饰、蛋白更新和再折叠的蛋白在表层LDOM丰度相当高，而参与蛋白合成相关蛋白在深海LDOM中更加丰富。参与物质转运和代谢、细胞壁或细胞膜或被膜的生物发生以及光合作用相关蛋白在75 m LDOM中相当丰富。参与氨基酸转运和代谢的ABC转运蛋白是10 m SDOM中最丰富的蛋白，而参与能量生产和转化的methylenetetrahydromethanopterin还原酶是75 m和3000 m SDOM中丰度最高的蛋白。在海洋垂直剖面上，溶解性蛋白的来源多样化并呈现动态的变化，每个水层都具有自己独特的蛋白，仅有非常少量、来自表层的溶解性蛋白能够被保护并输送到深海。
　　 (4)运用鸟枪蛋白质组技术结合全球采样组合蛋白数据库比较研究了南海陆架和海盆表层小分子溶解性有机物(5 kD-0.2μm)宏蛋白质组。从四个表层溶解性有机物中鉴定到806个蛋白，它们被1477个专一肽段(unique peptides)和3291幅谱图所匹配。表层小分子溶解性有机物中大部分蛋白源于细菌和病毒，仅有非常少的蛋白来自浮游植物。尽管不同细菌类群在不同采样站位表现出一定的丰度差异，但细菌类群变化不大，表明一些特定的细菌类群调节着该海区表层小分子溶解有机物的蛋白组成。一些已经在颗粒有机物和大分子溶解有机物中鉴定到的转运蛋白，如尿素ABC转运蛋白、氨转运蛋白、谷氨酸盐ABC转运蛋白、TonB-依赖受体和porin孔蛋白也在本研究中鉴定到。一些新型的转运蛋白，如细菌铁蛋白、变形菌视紫红质、TRAP二羧酸转运蛋白、亚精胺周质空间结合蛋白和糖ABC转运蛋白则首次在溶解有机物中鉴定到。四个站位之间溶解性蛋白功能类群和种类分布非常相似，提示着蛋白功能类群和种类丰度上的差异可能主要由每个站位微生物群落结构调控。鉴定的病毒蛋白主要来自三个科：肌尾噬菌体科、短尾噬菌体科和长尾噬菌体科。肌尾噬菌体科病毒蛋白丰度要明显高于其它两个科，暗示肌尾噬菌体科病毒可能有更强的生存能力，能够在病毒群落中迅速地发展成为优势种群。大部分病毒蛋白为病毒外部的蛋白衣壳，说明病毒粒子不同组份存在不同的更新时间。