人才强校中国农大郭岩彬教授团队在硒的细菌跨膜吸收通道方面取得突破

　　近日，中国农业大学资源与环境学院郭岩彬教授课题组在环境与生态领域国际顶级期刊《环境科学与技术》（Environmental Science & Technology）上发表题为＂水通道蛋白AqpZ和Na+/H+逆向转运蛋白NhaA控制水生拉恩氏菌HX2亚硒酸盐吸收＂(Uptake of Selenite by Rahnella aquatilis HX2 Involves the Aquaporin AqpZ and Na+/H+ Antiporter NhaA)的研究论文（DOI: 10.1021/acs.est.2c07028）。
　　HX2对亚硒酸盐的吸收示意图
　　硒是人和动物必需的微量元素，其主要以硒代半胱氨酸（Sec，第21种氨基酸）的形式存在于体内，并进一步合成硒蛋白发挥生物学作用。在自然界中，硒主要以硒酸盐（+Ⅵ）、亚硒酸盐（+Ⅳ）、单质硒（0）和硒化物（ Ⅱ）四种价态存在，微生物在硒的生物地球化学循环中发挥着重要作用。微生物将毒性较高的硒酸盐、亚硒酸盐等硒氧化物还原为纳米级的单质硒（简称纳米硒），降低硒的生物毒性，也可以利用此生物过程实现高硒环境的硒生物修复和硒元素回收利用。微生物合成的纳米硒也其稳定性高、活性强、生物转化效率高、环境风险小等优势，在硒营养补充、生物医药、环境修复等领域备受关注。硒跨膜运输是硒生物还原的第一步，但微生物对硒的跨膜运输通道目前研究尚少。研究通过代谢抑制剂、遗传突变、硒的跨膜运输、胞内硒还原等实验，在细菌中发现2个硒跨膜运输新通道，揭示了水通道蛋白AqpZ和Na+/H+逆向转运蛋白NhaA控制硒在水生拉恩氏菌HX2的跨膜运输，研究结果对理解微生物在硒的生物地球循环中的作用，利用细菌生物合成纳米硒等方面具有重要意义。
　　课题组系统研究了时间、pH、硒浓度、代谢抑制剂等对水生拉恩氏菌HX2吸收亚硒酸盐的影响。HX2对亚硒酸盐的吸收具有浓度和时间依赖性，其转运活性明显依赖于pH。水通道蛋白抑制剂AgNO3显著抑制HX2对亚硒酸盐的吸收，而呼吸抑制剂CCCP和2,4-DNP只是部分抑制HX2对亚硒酸盐的吸收，说明主动运输系统和水通道蛋白均参与了HX2对亚硒酸盐的吸收过程，其中水通道蛋白占主导地位。此外，硫酸盐（SO42 ）、硝酸盐（NO3 ）、亚硝酸盐（NO2 ）和磷酸盐（PO43 ）不影响HX2对亚硒酸盐的吸收，而亚硫酸盐（SO32 ）显著抑制亚硒酸盐的吸收，说明亚硒酸盐与SO32 具有相同的吸收通道，而与SO42 、NO3 、NO2 和PO43 吸收通道不相同。
　　影响HX2对亚硒酸盐吸收的因素
　　为验证水通道蛋白AqpZ和GlpF在HX2亚硒酸盐吸收中的功能，我们通过阅读框内基因缺失突变，获得了aqpZ和glpF的基因突变体，硒的跨膜运输实验结果表明突变glpF基因并不影响HX2对亚硒酸盐的吸收，而aqpZ基因的突变显著降低了HX2对亚硒酸盐的吸收，并且降低率与AgNO3的抑制率接近。同时，aqpZ突变后亚硒酸盐的还原能力和纳米硒的生物合成量也会显著降低，通过遗传互补可以完全恢复aqpZ突变体的生物学表型。结果说明，是水通道蛋白AqpZ，而非GlpF，在HX2亚硒酸盐吸收中起着关键作用。此外，我们通过亚硒酸盐和SO32 的互相竞争抑制实验进一步证明SO32 和亚硒酸盐共享AqpZ吸收通道。
　　水通道蛋白AqpZ和GlpF在HX2亚硒酸盐吸收中的作用
　　Na+/H+逆向转运体是一种膜蛋白，对细胞的pH和Na+稳态起主要作用。虽然这些逆向转运体的作用已被广泛研究，但Na+/H+逆向转运体NhaA尚未被发现参与任何生物体中亚硒酸盐的吸收或还原。为验证Na+/H+逆向转运蛋白NhaA在HX2亚硒酸盐吸收中的作用，我们克隆了nhaA基因并在大肠杆菌中进行了异源互补实验，结果表明，HX2中的NhaA能够有效恢复大肠杆菌KNabc在200 mM NaCl浓度下的生长缺陷。同时，我们通过阅读框内基因遗传突变获得了nhaA的缺失突变体，硒跨膜运输实验结果表明，nhaA基因的突变显著降低了水生拉恩氏菌HX2对亚硒酸盐的吸收，并且吸收降低率与CCCP和和2,4-DNP的抑制率非常接近，因此，NhaA可能通过调节质子动力参与亚硒酸盐的吸收。
　　细菌硒跨膜运输新通道的解析，为理解细菌驱动硒的生物地球循环过程提供新见解，也为利用发现的新通道提高细菌对硒的吸收和生物转化能力，高效合成纳米硒新兴材料，以及利用细菌进行硒环境修复提供了新技术路径。
　　Na+/H+逆向转运蛋白NhaA在HX2亚硒酸盐吸收中的作用
　　据悉，近年来课题组在细菌生物合成纳米硒的遗传调控、纳米硒稳定机制、纳米硒生物活性、纳米硒生物发酵工艺等方面取得研究进展。HX2可以耐受高浓度的硒酸盐和亚硒酸盐，高效合成纳米硒，RNA分子伴侣蛋白Hfq通过调控谷胱甘肽还原酶和硫氧还蛋白还原酶系统控制亚硒酸盐还原和纳米硒合成，鞭毛蛋白FliC和孔蛋白OmpF控制纳米硒的组装和结构稳定性，细菌合成的纳米硒可以被植物根系和叶片吸收，并调控植物的抗病性。课题组已完成了纳米硒在小麦、水稻、食用菌等作物的吸收转化机理以及近30多种作物的富硒生产技术，相关研究成果先后在《危险物杂志》 (Journal of Hazardous Materials)、《应用微生物技术》 (Applied Microbiology and Biotechnology)、《纳米生物技术杂志》 (Journal of Nanobiotechnology)等期刊发表，已获授权生物纳米硒国家发明专利7项，专利成果转化2项。相关技术成果在黑龙江、江西、湖南、重庆、河北、山西等十多个省市的小麦、水稻、大豆、小米等近20种作物上应用推广。
　　博士后徐巧林为论文第一作者，郭岩彬教授为论文的通讯作者。研究得到国家自然科学基金、新疆科技重大专项等项目资助。
　　论文链接： https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.est.2c07028
　　供稿：资源与环境学院
　　供图：资源与环境学院
　　编辑：孟祥慈