近日，我校群體微生物研究中心陳少華副教授課題組在農(nóng)林科學(xué)1區(qū)Top期刊Journal of Agricultural and Food Chemistry發(fā)表題為“Cellular response and molecular mechanism of glyphosate degradation by Chryseobacterium sp. Y16C”的封面文章（論文網(wǎng)址: https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.jafc.2c07301）。
除草劑草甘膦的大量、頻繁使用已給生態(tài)環(huán)境和人類健康帶來危害。草甘膦的安全問題也越來越受到國際社會的關(guān)注。環(huán)境中殘留的草甘膦不僅對生態(tài)系統(tǒng)造成影響，破壞生態(tài)平衡，并能通過食物鏈的富集進(jìn)入人體內(nèi)，進(jìn)而威脅人類健康。因此，如何有效去除草甘膦殘留污染已成為當(dāng)前亟待解決的問題。
微生物降解是草甘膦在自然環(huán)境中的一種主要降解途徑，具有高效、廉價、安全等優(yōu)點(diǎn)。但是，目前針對草甘膦的降解微生物礦化效率不高，降解時間長且不能完全降解草甘膦，草甘膦降解酶及基因資源匱乏，降解分子機(jī)制尚未系統(tǒng)闡明，已成為嚴(yán)重制約草甘膦降解菌及其基因資源研究與利用的“瓶頸”。
研究結(jié)果表明，草甘膦降解菌株Chryseobacterium sp. Y16C細(xì)胞膜受到草甘膦信號刺激后，細(xì)胞膜電位逐漸下降，ROS含量迅速增加，細(xì)胞凋亡水平上升，抗氧化系統(tǒng)被激活，從而使Y16C細(xì)胞緩解草甘膦脅迫造成的過氧化損傷，防御并適應(yīng)不利環(huán)境。另一方面，草甘膦通過膜上轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白進(jìn)入胞內(nèi)，新型草甘膦降解基因goW被激活，其表達(dá)產(chǎn)物GOW（甘氨酸氧化酶）催化草甘膦降解生成AMPA（氨甲基膦酸）和乙醛酸；AMPA進(jìn)一步被菌株氧化分解，毒性產(chǎn)物被轉(zhuǎn)運(yùn)至胞外，而乙醛酸被菌株利用進(jìn)入三羧酸循環(huán)。該研究為解析微生物響應(yīng)草甘膦脅迫及其降解草甘膦的分子機(jī)制提供了新的視野。
課題組長期圍繞草甘膦降解菌群的富集篩選、礦化菌株的分離鑒定及對微生物群落的影響、降解基因的功能鑒定及降解酶作用機(jī)制、固定化菌劑的研究應(yīng)用等方面開展研究，并取得系列研究進(jìn)展，近3年在國際知名學(xué)術(shù)期刊Journal of Hazardous Materials和Journal of Agricultural and Food Chemistry上發(fā)表5篇關(guān)于草甘膦微生物降解方面的研究論文。
從受農(nóng)藥污染土壤中富集篩選得到草甘膦高效降解菌群Y16，并從中成功分離獲得一株新型草甘膦降解菌—Chryseobacterium sp. Y16C。菌株Y16C在土壤/水體中對草甘膦具有優(yōu)越的降解代謝能力，并研究了菌株Y16C對土壤中微生物群落的影響。同時，該降解菌株對于水稻草甘膦藥害也具有明顯的緩解效應(yīng)，為開發(fā)農(nóng)藥安全劑提供了新的思路。
通過分子對接和分子動力學(xué)模型研究了草甘膦氧化還原酶（GOX）和C-P裂解酶與草甘膦的相互作用機(jī)制。結(jié)果表明，草甘膦的氧原子與GOX的活性位點(diǎn)Ile15、Ser44、Gly384、Gly387和Met388氨基酸殘基通過氫鍵結(jié)合，GOX的絲氨酸OH基團(tuán)通過親核作用裂解草甘膦C-N鍵從而形成AMPA。C-P裂解酶的Gln71、His108和Ser267同樣通過氫鍵與草甘膦結(jié)合。進(jìn)一步研究表明，草甘膦與C-P裂解酶結(jié)合口袋中的組氨酸相互作用，從而裂解草甘膦的C-P鍵。該研究結(jié)果有助于揭示草甘膦降解酶的作用機(jī)制。
除了甘氨酸氧化酶、草甘膦氧化還原酶和C-P裂解酶，課題組發(fā)現(xiàn)來源于曲霉屬（Aspergillus sp.）真菌的漆酶對草甘膦同樣具有較高的催化降解活性，并解析了其催化機(jī)制，研究結(jié)果為挖掘新型草甘膦降解酶提供理論依據(jù)。
通過固定化技術(shù)，采用海藻酸鈉和殼聚糖作為包埋載體、氯化鈣作為交聯(lián)劑，將草甘膦降解微生物成功制作成固定化菌劑，相比單菌而言，該固定化菌劑可以更有效地去除土壤/水體中草甘膦殘留，為開發(fā)生物降解技術(shù)用于治理農(nóng)藥殘留污染提供科學(xué)依據(jù)。
上述論文第一作者分別為我校植物保護(hù)學(xué)院2019級博士生張文平、博士后Pankaj Bhatt及2020級碩士生李嘉儀，陳少華副教授為上述論文的通訊作者。上述研究得到廣東省重點(diǎn)領(lǐng)域研發(fā)計劃項(xiàng)目課題、廣東省自然科學(xué)基金、廣東省農(nóng)業(yè)農(nóng)村污染治理與環(huán)境安全重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放課題和學(xué)校提質(zhì)增效專項(xiàng)的資助。
陳少華課題組長期從事降解微生物資源挖掘與利用研究，近3年來在Journal of Hazardous Materials（10篇，影響因子14.224）、Bioresource Technology （2篇，影響因子11.889）、Journal of Agricultural and Food Chemistry（3篇，影響因子5.895）、Critical Reviews in Biotechnology（2篇，影響因子9.062）等中科院1區(qū)Top期刊發(fā)表生物降解論文10多篇，其中3篇論文入選ESI前1‰熱點(diǎn)論文，18篇論文入選ESI前1%高被引論文。陳少華入選愛思唯爾（Elsevier）2022年度“中國高被引學(xué)者”榜單。
文圖／群體微生物研究中心 黃耀華
