解码海洋细菌水华的遗传驱动因子：比较基因组学揭示富营养菌的生态策略与生物地球化学影响

本研究针对海洋细菌在特定条件下（如藻华期间）从“稀有生物圈”爆发性增长的现象，通过操控实验（降低捕食者和病毒压力、增加营养）并结合比较基因组学分析，揭示了响应细菌（bloomers）富含与转录调控、转运、分泌及应激抵抗相关的功能基因（如双组分系统TCSs），这些特征主要分布于Alteromonadaceae、Vibrionaceae等类群，并可能影响磷循环等关键生物地球化学过程。

　　

海洋中绝大多数微生物栖息地由寡营养细菌主导，但在某些条件下（如浮游植物水华期间），富营养菌（copiotrophs）的丰度会急剧增加，并在细菌群落中占据极高比例。这些能够爆发性增长的细菌（被称为“bloomers”）是否具有特定的功能特征，抑或只是随机从富营养菌库中被选择出来，仍是一个未解之谜。为了探索这一生态特性的基因组决定因素，研究者开展了一项比较基因组学分析，旨在解码海洋细菌水华的遗传驱动因子。

研究人员通过操控实验（减少捕食者和病毒、增加营养可用性）触发细菌水华，并对来自分离株和宏基因组组装基因组（MAGs）的305个细菌基因组进行了分析。这些基因组根据其密码子使用偏好（CUB）被分类为富营养菌或寡营养菌。研究发现，响应细菌（即那些在实验中快速生长并增加相对丰度的细菌）在多个功能基因上显著富集，包括刺激响应转录调控（主要通过双组分系统）、转运、分泌、细胞保护、糖和氨基酸分解代谢以及膜/细胞壁生物合成等相关基因。这些基因赋予了它们粘附、生物膜形成、应激抵抗、群体感应、趋化性、营养吸收和快速复制的能力。这些特征主要存在于来自Alteromonadaceae、Vibrionaceae、Rhodobacteraceae、Sphingomonadaceae和Flavobacteriaceae等家族的富营养菌基因组中。此外，研究还发现这些响应细菌在丰度较高时会影响生物地球化学循环，尤其是磷循环。

本研究为阐明某些细菌能够快速响应环境变化并发生水华的功能特征提供了新见解，并暗示了这些现象可能影响海洋生物地球化学循环的生态意义。

为开展本研究，作者主要运用了以下几项关键技术：从西班牙布拉内斯湾微生物观测站（BBMO）进行季节性采样，并设置了包括光照/黑暗对照、降低捕食者、稀释营养（减少捕食者并增加营养）及降低病毒等6种处理条件的微宇宙实验；通过流式细胞术监测群落丰度变化；利用16S rRNA基因扩增子测序和宏基因组测序（Illumina NovaSeq）分析群落动态；从实验中分离细菌并完成基因组测序（Illumina MiSeq）；将分离株基因组与宏基因组组装得到的MAGs进行去冗余和质量过滤，获得330个高质量非嵌合基因组；使用GTDB-Tk进行物种分类注释，利用eggNOG-mapper进行功能注释（包括COG、Pfam、KEGG、CAZy等数据库）；通过gRodon软件根据密码子使用偏好（CUB）计算估计最小倍增时间（EMDT）以区分富营养菌与寡营养菌；通过将基因组映射回宏基因组计算覆盖度，进而基于丰度变化计算实验倍增时间（FEDT）以识别快速生长的响应细菌。

Results

Contextualization of the data

本研究最终数据集包含305个异养细菌基因组（去冗余于95% ANI阈值），其中13个来自分离株，292个为MAGs。大多数基因组隶属于Bacteroidia（96个）、Alphaproteobacteria（87个）和Gammaproteobacteria（77个）纲。根据CUB，175个被预测为寡营养菌，130个为富营养菌。计算得到的估计最小倍增时间（EMDT）与基于实验丰度变化得到的实验倍增时间（FEDT）具有合理相关性（线性模型p<0.001，调整r2=0.35）。流式细胞术数据显示，实验期间细菌群落总丰度增加，尤其在夏季和秋季实验以及DL（营养稀释并减少捕食者）和VL（减少病毒）处理中更为显著。

Functions involved in the response to the manipulations

通过将基因组按实验倍增时间（FEDT）分为快速生长（<12小时）、中等生长（12-120小时）和慢速生长（>120小时）类群，并进行功能比较发现，快速生长菌在所有处理中均显著富集未知功能（S类别）、信号转导机制（T类别）和转录（K类别）相关的COG类别。这些类别在富营养菌中也显著过表征。此外，与细胞运动（N类别）、无机离子转运与代谢（P类别）和防御机制（V类别）相关的基因也在大多数处理中富集。

Specific functional units involved in fast responses and their distribution across taxonomic groups

从2906个在快速生长菌中显著富集的功能单元（FUs，包括COGs、Pfams、KOs、CAZy）中筛选出61个代表性FUs进行深入分析。这些FUs涉及双组分系统（TCSs）、转录调节子、转运蛋白、I型和II型分泌系统（T1SS、T2SS）组分、外排泵、细胞保护系统、糖和蛋白质分解代谢、膜/细胞壁生物合成等。热图分析显示了这些FUs在不同分类群中的分布。例如，Alphaproteobacteria（包括慢速生长者）普遍含有更多的氨基酸氧化酶、酒精脱氢酶、ABC谷胱甘肽转运蛋白等；而快速生长的Rhodobacteraceae成员则特异性富集Hedgehog/Intein（Hint）结构域、重复毒素重复（RTX）和转肽酶等。Gammaproteobacteria中的快速生长菌（如Alteromonadaceae和Vibrionaceae）含有最多与TCSs相关的FUs，以及T1SS和T2SS组分、外排泵等。Bacteroidia纲的基因组则普遍富集主要促进子超家族（MFS）硫酸盐转运蛋白、OmpA家族孔蛋白和 opacity 蛋白；其快速生长成员（Flavobacteriaceae和Saprospiraceae）特异性富集LytR/AlgR和YesM家族的双组分系统、Sigma 70因子和解旋酶。

Biogeochemically relevant genes overrepresented in fast- and slow-growers

对一组生物地球化学相关基因的分析表明，与磷循环相关的pstS（磷酸盐转运系统组分）和phoA（碱性磷酸酶A）基因在所有处理的快速生长菌中显著富集。coxL（一氧化碳脱氢酶大亚基）和ptxD（亚磷酸脱氢酶）基因在快速生长菌中也更为丰富。相反，coxA（细胞色素c氧化酶亚基I）、prd（蛋白酶罗丹opsin）、cyoA（细胞色素o泛醌氧化酶亚基II）和amt（铵转运蛋白）基因则在慢速生长菌中显著富集。

Differential traits of bacterial bloomers

研究者将“bloomers”定义为那些实验倍增时间（FEDT）低于12小时且最终相对丰度超过1%的基因组种群。共鉴定出18个这样的种群，分属于Alteromonadaceae、Vibrionaceae、Rhodobacteraceae和Flavobacteriaceae。与其它富营养菌相比，bloomers在密码子使用偏好（CUB）上显著更高，表明其核糖体蛋白翻译效率更高。其基因组在COG类别S、T和K上同样富集。共有149个功能单元在bloomers中富集，其中大多数与在快速生长菌中富集的单元重合。

Conclusions

本研究通过功能基因组学分析表明，海洋中能够快速响应环境扰动（营养增加、捕食和病毒压力降低）而爆发性生长的细菌并非随机出现，而是具有特定的基因组特征。这些“bloomers”富含与信号感知（如双组分系统）、环境应激抵抗、营养获取、生物膜形成和快速复制相关的功能基因。这些特征使其在条件适宜时能迅速抢占生态位，并可能显著影响诸如磷循环等关键生物地球化学过程。该研究为理解海洋细菌水华的遗传基础及其生态与生物地球化学效应提供了重要见解。