上海海洋大学新研究揭示海洋磷循环的隐藏驱动力

近日上海海洋大学作为第一单位在《自然-通讯》发表了一项新的研究成果，揭示了海洋谜题的关键一环：在广阔而贫瘠的深海中，微生物如何获取对所有生命都至关重要的元素——磷。该研究确定了一种常见的海洋细菌——交替单胞菌，是这一过程的主导力量，并揭示其多功能酶工具包的多样性远超以往认知。

磷是生命的基本组成部分，对DNA、细胞膜和能量转移至关重要。在阳光照射的海洋表层水域，磷往往稀缺，限制了海洋生物的生长。深海中储存着大量被封存在复杂有机分子中的磷，但微生物如何释放这种营养盐一直是个未解之谜。

由海洋科学与生态环境学院Federico Baltar教授领导的国际研究团队，结合全球海洋实地数据和实验室实验，解开了这一谜团。他们的多组学分析——在全球范围内检测基因和蛋白质——一致指向了一个关键角色。“我们发现交替单胞菌是海洋，尤其是深海中，获取磷的主要‘劳动力’，”该研究的第一作者Daniel E.M. Saavedra博士说，“它扮演着关键‘守门人’的角色，决定着有多少磷被释放出来并用于维持更广泛的海洋生态系统。”

该研究聚焦于一类称为碱性磷酸酶的酶，它们已知能够分解有机磷。研究人员调查了这些酶的四个主要家族（PhoA、PhoD、PhoX、PafA）。突破性地发现和证明，这四种酶都是“多功能的”，意味着单一一种酶就能高效处理多种不同的含磷化合物。“这种多功能性改变了我们对海洋生物地球化学的理解，”该研究的通讯作者、研究组负责人Federico Baltar教授解释说，“这意味着这些微生物装备的是多功能的‘瑞士军刀’，而非一次性工具。这使得它们能够在营养贫瘠的公海中利用更广泛的磷源。”

该研究还揭示了这些酶采用的不同策略。例如，PhoD酶受到严格调控，在磷匮乏条件下具有高活性，扮演着专门、高效的“清道夫”角色。相比之下，PhoA酶的生成更为持续，表明它在营养循环中扮演着持续的背景角色。“在同一细菌体内拥有具有不同角色和调控机制的酶家族，是一种卓越的进化适应，”Baltar教授补充道，“这使得交替单胞菌能够在动态且常常资源有限的海洋环境中茁壮成长。”

这些发现从根本上扩展了我们对海洋磷循环机制的理解。通过强调特定细菌的关键作用以及酶多功能性被低估的能力，该研究为预测海洋生态系统如何响应不断变化的环境条件提供了一个新框架。

图1：四种碱性磷酸酶家族的分泌及（多）功能性模型。该图展示了从地中海交替单胞菌中纯化的四种碱性磷酸酶所采用的不同分泌机制：PhoA（绿色）和PafA（粉色）利用Sec途径，而PhoD（蓝色）和PhoX（紫色）则采用Tat途径。这些差异化的分泌策略表明PhoD和PhoX在获取辅因子铁方面具有优势，因为Tat途径使这些酶在分泌前能够折叠。相反，PhoA和PafA则依赖其辅因子锌的外部环境浓度。图的下半部分展示了四种不同底物（P-单酯、P-二酯、P-三酯和硫酸单酯）的酶转化率。为可视化较低范围内的差异，数值已转换为对数尺度。所有四种纯化的酶对所有测试底物均表现出酶活性，但PafA对P-单酯无活性。图表来源：2025,Nature Communications

主要发现：

· 主导角色确认： 交替单胞菌是全球海洋，尤其是深海中，碱性磷酸酶表达和生产的主要驱动者。

· 酶的多功能性： 所有四个主要的碱性磷酸酶家族（PhoA、PhoD、PhoX、PafA）均具有多功能性，能够水解多种多样的有机磷化合物。

· 差异化策略： 不同的酶家族具有独特的调控机制和底物偏好，使细菌能有效适应波动的营养盐可用性。

· 新范式： 该研究挑战了“一种酶，一种功能”的范式，证明多功能性是理解海洋元素循环的核心。

这项题为《交替单胞菌多功能多样的碱性磷酸酶驱动海洋磷循环》的研究于2025年11月7日发表在《自然-通讯》上，并被选入《自然-通讯》编辑在“地球科学”领域的亮点推荐（前50最佳论文）。

关于研究团队：
  上海海洋大学真菌与生物地球化学海洋学（FBO）研究组，由Federico Baltar教授领导，成员包括Eva Breyer博士，主要研究微生物在驱动海洋生态系统生物地球化学循环中的作用。本研究的国际合作包括来自西班牙、新西兰、中国和奥地利的研究人员。上海海洋大学真菌与生物地球化学海洋学（FBO）研究组积极参与众多国际合作与项目，包括DOME（深海洋微生物组与生态系统）和联合国海洋十年计划JETZON（暮光带海洋联合探测网络），以及SCOR（海洋研究科学委员会）PRIMO（微生物海洋学生理学与速率）工作组，Baltar教授担任该工作组的正式委员。

文章链接： https://www.nature.com/articles/s41467-025-64455-2