地中海沿岸地下河口盐度梯度驱动Patescibacteria（CPR）菌群的生态位分异与超小型自由生活Parcubacteria的发现

《mSystems》：Diverse Patescibacteria assemblages and prevalence of ultra-small free-living Parcubacteria along a subterranean estuary

本研究首次系统揭示地中海沿岸地下河口盐度梯度下Patescibacteria（CPR）菌群的分布规律，通过流式细胞术、CARD-FISH和16S rRNA测序技术，发现该类超小型细菌（细胞体积约0.009 μm3）通过类群更替占据淡水、半咸水和咸水地下水生态位，并可视化证实Parcubacteria（OD1）以自由生活形态富集于低氧咸水地下水，为理解CPR在海岸带生物地球化学循环中的作用提供关键生态学证据。

　　

ABSTRACT

Patescibacteria是一类具有超小细胞尺寸和简化基因组的新型细菌，广泛分布于地下环境。本研究通过多技术联用，揭示了沿地中海地下河口盐度梯度分布的Patescibacteria菌群组成、丰度及其生态位偏好。结果表明，该类群通过类群更替占据整个盐度梯度，其中76%的ASVs与数据库序列相似性低于95%，提示沿海地下水环境中存在大量未知类群。流式细胞术检测到超小型原核生物（UMP）种群，其丰度随盐度升高而增加，并通过CARD-FISH证实其主要由自由生活的Parcubacteria（OD1）组成。研究首次提供了Patescibacteria在自然生境中的可视化证据，强调了其在海岸带地下水生态系统中的潜在重要性。

INTRODUCTION

Patescibacteria（亦称候选门级辐射，CPR）的发现极大拓展了生命树多样性。该类群以极小细胞尺寸（0.009 ± 0.002 μm³）和简化基因组（约1 Mb）为特征，缺乏多种生物合成途径，但编码与菌毛和细胞互作相关的蛋白家族，暗示其可能存在共生或寄生生活方式。尽管在淡水与海洋系统中均有检出，但盐度梯度对其分布的影响尚未明确。沿海地下河口作为地下水与海水混合的界面，为研究盐度驱动的生态位分异提供了理想场所。

MATERIALS AND METHODS

研究区位于地中海沿岸的Argentona站点（西班牙巴塞罗那），通过布设的测压井采集覆盖全盐度梯度（0.5–35）的地下水样品。结合流式细胞术、催化报告沉积荧光原位杂交（CARD-FISH）和16S rRNA基因测序（引物341F/805R）分析Patescibacteria的丰度、多样性和形态特征。通过扫描电镜（SEM）观察0.1 μm滤膜截留的超小型细胞，并利用统计学方法（Mantel检验、RDA）评估环境因子对群落结构的影响。

RESULTS

1. 1.
   超小型原核生物的丰度与形态
   流式细胞术在咸水地下水站点（如N2_25）中检测到清晰的UMP种群，其丰度与总原核生物数量呈正相关（r= 0.92），在咸水层中占比最高达26%。SEM显示该种群以直径<0.5 μm的球状细胞为主。
2. 2.
   Patescibacteria的群落组成
   Patescibacteria为地下河口第二优势门，以Parcubacteria（74%）、Gracilibacteria（14%）和ABY1（9%）为主导。76%的ASVs与SILVA数据库序列相似性低于95%，表明存在高度新颖性。盐度与磷酸盐是驱动群落分异的关键环境因子（RDA分析，P< 0.05）。
3. 3.
   Parcubacteria的可视化与生活方式
   CARD-FISH结果显示OD1标记细胞在咸水站点（N1_20、N1_25、N2_25）中占比最高（4.6–10.6%），其尺寸仅为海洋SAR11细胞的1/7。多数细胞为自由生活状态，但部分呈现与真核生物或原核丝状体的潜在共生关联。
4. 4.
   生态位偏好
   基于ASVs最大丰度分布，Patescibacteria类群沿盐度梯度呈现明显更替：淡水站点以Magasanikbacteria等为主，咸水站点以Nomurabacteria为主，而过渡带类群（如Portnoybacteria）无明显环境相关性。多数ASVs分布局限，仅存在于单一站点。

DISCUSSION

本研究首次揭示海岸带地下河中Patescibacteria沿盐度梯度的生态位分异规律。咸水低氧地下水作为UMP的热点区域，其高丰度可能与缺氧环境下的代谢适应性相关。Parcubacteria的自由生活形态挑战了其严格共生的传统认知，而类群特异的环境响应提示其可能参与氮循环等关键地化过程。研究成果为理解CPR在海岸带生态系统中的功能提供了新的生态学视角。

CONCLUSION

沿海地下河口中Patescibacteria展现出高度的多样性与生态位特异性，其分布受盐度梯度调控。通过可视化技术证实超小型自由生活Parcubacteria的存在，凸显了该类群在海岸带地下水生态系统中尚未被充分认知的生态重要性。未来需结合宏基因组学等手段进一步揭示其生物地球化学功能。