近日，国际综合性期刊《美国国家科学院院刊》（PNAS）刊发了由中国科学院海洋研究所海洋微生物生命过程及应用潜力研究组主导、中国科学院微生物研究所联合攻关的研究成果，系统揭示了深海产甲烷古菌中多聚磷酸盐（polyP）代谢与生长及产甲烷过程之间的耦合机制，为理解深海厌氧微生物在寡营养环境中的磷元素获取与能量代谢策略提供了全新视角，也为进一步认识深海冷泉生态系统中碳循环与磷循环的耦合关系奠定了重要基础。

在深海生命体系中，产甲烷古菌是驱动全球甲烷循环的重要力量，尤其在甲烷通量显著的冷泉生态系统中扮演关键角色。磷作为生命必需的元素，常以无机磷酸盐形式被微生物利用，但在深海环境中，无机磷极为稀缺。相比之下，有机磷在深海沉积物中含量丰富。然而，产甲烷古菌如何在磷限制条件下维持生长与代谢，长期以来缺乏系统认知。多聚磷酸盐作为一种广泛存在于细菌和真核生物中的磷/能量储存分子，其在古菌尤其是产甲烷古菌中的生理功能几乎未知。

研究团队从南海冷泉和海山沉积物中成功分离出8株深海产甲烷古菌（隶属于Methanobolus属）。透射电镜观察发现，这些菌株胞内普遍存在高电子密度的颗粒，经能谱、DAPI染色及核磁共振等多种手段鉴定为多聚磷酸盐颗粒。其中一株代表性菌株ZRKC1生长快、产甲烷效率高，被选为后续研究模型。研究团队通过功能基因组学、生物化学、多组学及分子遗传学分析，首次明确了该菌株中多聚磷酸盐代谢的关键酶系：PPK1负责多聚磷酸盐合成，而PPK2主要发挥水解功能。敲除ppk1基因后，菌株完全丧失多聚磷酸盐积累能力，生长速率和甲烷产量显著下降，表明多聚磷酸盐不仅是磷的储存库，更是连接环境磷供给与细胞核心代谢的重要枢纽。

进一步研究发现，在无机磷缺乏的条件下，ZRKC1能够利用淀粉、壳聚糖等复杂有机磷源，并通过上调两个磷酸酯酶（V7059_RS02375和V7059_RS09360）释放生物可利用的无机磷，进而通过PPK1合成为多聚磷酸盐，支持生长和产甲烷。转录组分析显示，该过程伴随磷酸特异性转运系统（Pst系统）和ppk1的显著上调，而ppk2则被抑制。磷酸酯酶抑制剂实验进一步证实了该通路的功能必要性。尤为重要的是，研究团队通过深海原位培养装置，在南海冷泉原位环境下对ZRKC1进行了转录组分析，发现磷酸获取、多聚磷酸盐合成及产甲烷相关基因在原位同样显著上调，提示该代谢策略在自然环境中具有生物学相关性。

图1 深海产甲烷古菌的分离培养及形态观察

图2 多角度证实深海产甲烷古菌形成多聚磷酸盐

图3 分子遗传学手段确定深海产甲烷古菌形成多聚磷酸盐的关键基因

图4 深海产甲烷古菌驱动的碳磷元素循环耦合模式图

本研究揭示了深海产甲烷古菌通过多聚磷酸盐代谢实现磷元素高效利用和能量储存的适应机制，拓展了我们对古菌磷代谢多样性的认知，也为理解深海冷泉生态系统中磷循环与甲烷循环的耦合提供了新的分子证据。该成果进一步印证了“深海并非代谢孤岛”的观点，凸显了深海微生物在元素生物地球化学循环中的主动调控角色。值得一提的是，“科学”号科考船在整个研究过程中，无论是样品采集还是深海原位环境参数测定，乃至深海原位实验方面都发挥了不可替代的作用，也彰显了大科学装置在深海科学研究中的重要性。

中国科学院海洋研究所副研究员郑日宽和王崇为共同第一作者，孙超岷研究员及中国科学院微生物研究所的李洁研究员为共同通讯作者。研究得到了国家自然科学基金委员会重点项目、国家自然科学基金委员会创新研究群体项目及科学技术部国家重点研发计划等项目的资助。

论文信息：

Rikuan Zheng#, Chong Wang#, Yuxin Zheng, Lei Cao, Kaitao Liu, Jie Li*, Chaomin Sun*. Polyphosphate affects the growth and methanogenesis of deep-sea methanogenic archaea. PNAS, 2026, 123(23):e2608127123. doi: 10.1073/pnas.2608127123.

https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2608127123