基于 Illumina 和齐碳纳米孔测序揭示海洋微微蓝细菌培养物中 Prochlorococcus、Synechococcus、细菌和病毒的基因组奥秘

当前海洋微微蓝细菌基因组数据集存在不足，研究人员对来自印度洋、南海和西太平洋的 105 个微微蓝细菌富集培养物进行研究。获得了 55 个 Prochlorococcus 和 50 个 Synechococcus 高质量基因组等数据，为研究其生态作用和进化动态提供了资源。

　　在广袤无垠的海洋世界里，存在着一群极为微小却至关重要的生物 —— 微微蓝细菌，其中 Prochlorococcus（原绿球藻）和 Synechococcus（聚球藻）是海洋初级生产的关键贡献者，它们在全球生物地球化学循环中扮演着不可或缺的角色。原绿球藻是地球上最小且数量最为庞大的光合生物，直径仅 0.5 - 0.7μm，全球细胞数量约为 10²⁷个，其基因组小，适应寡营养、稳定的开阔海洋环境，但种群遗传多样性丰富。聚球藻的生物地理分布更为广泛，从热带到亚极地地区，从沿海水域到开阔海洋都有它们的身影，其基因组相对较大，能适应多样且多变的环境条件。

然而，目前的基因组数据集存在诸多缺陷。一方面，对于一些采样不足的海洋区域，相关基因组数据缺乏全面的代表性；另一方面，与 Prochlorococcus 和 Synechococcus 相关的细菌和病毒的基因组数据在数量和代表性上均不足。此外，二代测序技术的局限性也导致当前基因组数据集质量欠佳，传统测序方法常使组装结果碎片化、完整性低，短读长测序难以解析复杂基因组区域。这些问题严重制约了人们对这些物种在全球海洋生态系统中功能和适应性的理解。

为了解决这些问题，中国地质大学（武汉）、中国科学院武汉病毒研究所等多家研究机构的研究人员展开了深入研究。研究人员从印度洋（2022 年）、南海（2014 年、2021 年）和西太平洋（2022 年）的 27 个采样站，采集了深度在 25 - 150m 的海水样本。通过一系列实验操作，最终获得了大量有价值的数据，相关研究成果发表在《Scientific Data》上。

在研究过程中，研究人员运用了多种关键技术方法。首先是样本采集与处理技术，使用 Niskin 瓶采集海水样本，经过重力过滤、添加 Pro2 培养基营养储备液富集等操作获得微微蓝细菌富集培养物。其次是测序技术，结合二代 Illumina 测序和三代齐碳纳米孔测序技术对样本进行测序。最后是生物信息分析技术，通过对测序数据进行质量控制、组装、基因注释等一系列分析，获得了各种基因组数据。

研究结果主要包括以下几个方面：

1. 微微蓝细菌基因组：通过对样本的测序和分析，成功鉴定出 55 个 Prochlorococcus 基因组和 50 个 Synechococcus 基因组，这些基因组完整性高（>98%）、污染率低（<2%），部分基因组甚至能组装成单条重叠群。其中 Prochlorococcus 基因组包含 23 个高光 II 类群（HLII）菌株、1 个 HLI 菌株和 31 个低光 I 类群（LLI）菌株；Synechococcus 基因组包含 26 个 5.1B 类群菌株、16 个 5.1A 类群菌株和 8 个 5.2 类群菌株，还涵盖多个主要亚类群。
2. 相关细菌基因组：从 1457 个中高质量非蓝细菌宏基因组组装基因组（MAGs，完整性≥50% 且污染率≤10%）中，鉴定出 308 个非冗余 MAGs，这些 MAGs 涵盖 18 个细菌门，主要包括变形菌门（Pseudomonadota ，n = 142）、拟杆菌门（Bacteroidota ，n = 89）等。
3. 病毒相关数据：从 7632 条合格病毒重叠群中，获得 2113 个非冗余病毒操作分类单元（vOTUs），其中 176 个为完整 vOTUs，470 个为高质量 vOTUs，1201 个为中等质量 vOTUs 。仅有 11.36% 的 vOTUs 能基于现有数据库进行分类，共鉴定出 28 个病毒家族。

综上所述，该研究填补了当前基因组资源的重要空白，为深入理解海洋微微蓝细菌、相关细菌和病毒之间的复杂相互作用提供了全面的基础。这些数据有助于进一步研究微生物生态学、进化和生物地球化学在不同环境和人为条件下的变化规律，对揭示海洋生态系统的奥秘具有重要意义。研究人员通过创新的技术手段和深入的数据分析，为海洋微生物研究领域打开了新的大门，有望推动该领域的进一步发展。