导读

近日，研究中心在南海海马冷泉区取得重要科研进展，揭示了木质素在深海冷泉生态系统中的微生物代谢途径，拓展了我们对海洋碳循环机制的理解。这项研究发表于一区TOP期刊《Research》。

张偲院士与冯景春教授为研究论文的共同通讯作者，南方海洋科学与工程广东省实验室（广州）李佳岭副研究员和深圳大学医学部王攀登助理教授为本文共同第一作者，华东师范大学吴莹教授、樊俊宁，南方海洋科学与工程广东省实验室（广州）陶玄宇研究员、胡珺临、周颖力、黄永吉，广东工业大学朱梦卓等为本文的共同作者，该研究得到了国家自然科学基金重大项目（42494884, 42449303）和杰青项目（42325603）等支持。

成果简介

木质素是陆地植物中含量丰富的复杂芳香聚合物，是全球碳循环的重要组成部分。尽管大量木质素通过河流输入海洋，但其在深海冷泉环境中的命运和转化机制长期未知。此次研究聚焦于海马冷泉区沉积物中的木质素，通过多组学技术（包括宏基因组、宏转录组和宏蛋白质组），结合实验室富集培养，系统解析了微生物群落如何分解木质素并参与碳循环。

研究发现，冷泉沉积物中的微生物，如伯克氏菌目（Burkholderiales）、假单胞菌目（Pseudomonadales）和根瘤菌目（Rhizobiales）等，具备独特的木质素降解能力。它们通过表达dyP型过氧化物酶和LigEFG介导的β-芳基醚裂解酶系统，将复杂的木质素大分子分解为芳香单体，并进一步通过4,5-PDOG和3,4-PDOG路径将其导入中心碳代谢（图1）。

更重要的是，尽管这些微生物本身不具备产甲烷能力，但它们通过降解木质素释放出甲基化小分子（如三甲胺），为冷泉区的甲基型甲烷生成提供了潜在前体（图2）。这一“甲基分流”机制在冷泉环境中被提出，可能为理解海洋甲烷释放提供了新视角。

此外，研究团队还通过全球冷泉数据的比对分析，发现类似的木质素降解菌群在全球12个冷泉系统中广泛分布（图3），表明木质素降解是深海沉积物中普遍存在的生态过程。该研究为理解陆地有机碳在海洋中的命运提供了新证据。研究强调，木质素在深海转化过程可能影响全球碳预算评估。

图1 基于 LCdb 数据库的海马冷泉富集沉积物中微生物有氧和厌氧木质素降解过程。基因符号表示其在样本中的存在；问号（？）表示基因缺失。

图2 木质素降解菌对甲烷生成过程的贡献。对木质素降解微生物群落中甲烷生成基因的分析表明它们参与了甲烷生成过程。它展示了15个高质量物种水平的基因组中，包含与甲烷生成过程相关的基因以及能够降解木质素的基因。这些物种对甲烷生成的贡献在图中相应基因的旁边标明，这里去除了重复的条目。上部面板展示了木质素的化学结构，右侧列出了参与木质素降解的微生物种类。

图3 展示了全球具有代表性的冷泉的地理分布（a），呈现了全球具有代表性的冷泉中木质素降解微生物群落的基因组（bins）的系统发育树（b）。外圈展示了这些木质素降解菌在门水平上的分布情况，显示了最丰富的10个门的名称；内圈则展示了木质素降解菌在目水平上的分布情况。

未来，研究团队计划进一步开展原位高压模拟实验，结合稳定同位素示踪技术，以更准确还原冷泉区木质素降解的真实速率和生态功能。这项研究为深海碳循环、微生物生态学和全球气候变化研究提供了重要的基础数据和理论支持，展现了合成生物学与地球系统科学交叉融合的前沿力量。

原文信息

Li J, Feng J, Wang P, Zhu M,Huang Y, Wu Y, Fan J, Hu J, Dong X,Zhou Y, et al. Lignin Unlocks StealthCarbon Sinks in Cold Seeps viaMicrobial Enzymatic Gatekeeping. Research 2025;8: Article 0848.