红树林沉积物中新型铁还原固氮菌Quyinboa的发现及Quyinboaceae新科的建立

《Synthetic and Systems Biotechnology》：Quyinboa mangrovi gen. nov., sp. nov., Quyinboa ferrireducens sp. nov., and Quyinboa sediminis sp. nov., three novel Fe(III)-reducing and nitrogen-fixing bacteria isolated from mangrove sediment, and the proposal of Quyinboaceae fam. nov. within the class Bacteroidia

本研究针对红树林湿地中铁还原和固氮功能微生物认知不足的问题，通过厌氧富集培养技术，从福建漳江口红树林沉积物中分离出三株兼具Fe(III)还原和固氮功能的新型 Bacteroidales 菌株。通过多相分类学鉴定提出新属Quyinboa（包含Q. mangrovi sp. nov.、Q. ferrireducens sp. nov.和Q. sediminis sp. nov.）及新科Quyinboaceae fam. nov.，基因组分析证实其具有多糖降解、氮固定和异化铁还原能力，为红树林生物地球化学循环机制研究提供重要菌种资源。

　　

在热带亚热带海岸线分布的红树林生态系统，是地球上最具生态服务价值的湿地类型之一。它们不仅能够抵御海平面上升和海岸侵蚀，还为众多生物提供栖息地，其中位于福建漳州的漳江口红树林国家级自然保护区（拉姆萨尔湿地第1726号）拥有我国最大的白骨壤（Avicennia marina）群落。这类生态系统作为重要的滨海碳汇，微生物在其中扮演着碳、氮、磷等关键元素循环的"引擎"角色。特别值得注意的是，氮循环和铁循环作为核心生物地球化学过程，显著影响着红树林沉积物中的微生物活性和养分周转。其中，固氮作用和铁还原作用是两个既生态相关又相互关联的过程，它们为波动氧化还原条件下的微生物群落提供必需营养和电子流。含铁矿物（如水铁矿和磁铁矿）在红树林湿地广泛分布，这些氧化还原活性矿物作为微生物呼吸的重要电子受体，已被证明能够调节微生物群落结构和生物地球化学功能。红树林环境具有铁输入丰富、缺氧条件和高氮需求的特点，因此微生物驱动的铁和氮相关过程在塑造沉积物生态方面发挥着关键作用。能够同时进行铁还原和固氮的微生物，在红树林生态系统中具有特殊的生态重要性。

近年来，宏基因组和培养技术的研究表明，拟杆菌门（Bacteroidetes）是红树林沉积物中的优势菌门，参与复杂有机物的降解和养分周转。拟杆菌目（Bacteroidales）成员为革兰氏阴性、不形成芽孢的细菌，以其降解多种生物聚合物的能力而闻名。然而，由于广泛使用不适用于某些厌氧或慢生长类群生长的培养方法，红树林环境中相当大一部分拟杆菌门微生物仍未被培养，这些未培养拟杆菌门的生理和生态功能仍然知之甚少。

为了突破这些限制，山东大学海洋学院的研究团队采用以Fe(III)为电子受体的厌氧富集策略，从福建漳江口红树林沉积物中成功分离到三株先前未表征的拟杆菌门细菌。通过多相分类学表征、系统发育分析和功能验证，研究人员提出建立一个包含三个新种的新属及一个新科，相关成果发表于《Synthetic and Systems Biotechnology》。

本研究采用的关键技术方法主要包括：基于沉积物泥浆培养的厌氧富集分离技术（以Fe(III)为电子受体）、16S rRNA基因序列分析与系统发育重建、全基因组平均核苷酸一致性（ANI）和数字DNA-DNA杂交（dDDH）计算、呼吸醌和极性脂质等化学分类分析、扫描电子显微镜形态观察、以及基于基因组的功能潜能预测与实验验证（如固氮和Fe(III)还原能力测定）。样本来源于福建漳江口红树林沉积物。

Sampling and isolation

菌株FJH62^T、FJH65^T和FJH54^T于2023年5月分离自福建漳江口（北纬23.92°，东经117.42°）红树林沉积物。研究人员使用沉积物泥浆培养法进行厌氧富集，以Fe(III)作为电子受体，成功分离出三株目标菌株。

16S rRNA gene similarity and phylogeny

16S rRNA基因序列比对显示，三株菌彼此间相似度为98.5–99.6%，其中FJH62^T和FJH65^T相似度最高（99.6%）。它们与最近的相关模式菌株（如Saccharicrinis carchari SS12^T和Carboxylicivirga taeanensis MEBiC 08093^T）的16S rRNA基因相似度均低于89.0%，低于细菌新属提议的常用阈值（94.5%）。基于16S rRNA基因和全基因组序列的系统发育分析均表明，这三个新菌株在拟杆菌目内形成一个单系分支，支持其代表一个新的分类单元。

Genome characteristics and function prediction

三株菌的基因组大小在4.19–4.36 Mbp之间，DNA G+C含量为38.5–39.9%。全基因组相关性指标（ANI < 80.2%, dDDH < 24.5%）进一步证实它们与相近菌株属于不同的物种，并且三者之间也代表三个不同的新种。基因组注释预测其具有降解多种多糖（如几丁质、淀粉、纤维素）的潜能，并鉴定到固氮酶基因（nif基因簇）和与异化铁还原相关的基因（如c型细胞色素、醌还原酶等）。

Phenotypic and chemotaxonomic characterization

菌株为革兰氏阴性、兼性厌氧、非运动性、直杆至弯杆状。化学分类分析表明，其主要呼吸醌为MK-10，主要极性脂质包括磷脂酰乙醇胺、氨基脂和磷脂。主要细胞脂肪酸为iso-C_15:0和anteiso-C_15:0。这些特征与其最相近的菌株存在差异，具有分类学意义。

Nitrogen fixation and Fe(III) reduction abilities

通过乙炔还原实验证实了三株菌均具有固氮酶活性。在厌氧条件下，它们能够利用Fe(III)作为电子受体进行生长并将Fe(III)还原为Fe(II)，证实了其异化铁还原能力。这些生理特性与基因组预测结果一致。

本研究得出结论，从漳江口红树林沉积物中分离的三株菌（FJH62^T, FJH65^T, FJH54^T）代表拟杆菌目中的一个新属，命名为Quyinboa，包含三个新种：Quyinboa mangrovi sp. nov.（模式株FJH62^T = KCTC 102258^T = MCCC 1H01534^T）、Quyinboa ferrireducens sp. nov.（模式株FJH65^T = KCTC 102259^T = MCCC 1H01536^T）和Quyinboa sediminis sp. nov.（模式株FJH54^T = KCTC 102257^T = MCCC 1H01535^T）。基于系统发育、基因型和表型特征的显著差异，研究进一步提议在拟杆菌目内建立一个新科，Quyinboaceae fam. nov.，以容纳此新属。

该研究的重要意义在于首次报道了在拟杆菌目中存在兼具固氮和异化Fe(III)还原能力的细菌，并明确了其系统分类地位。Quyinboaceae新科成员的发现，丰富了我们对红树林沉积物微生物多样性的认识，特别是对在铁和氮循环中起关键作用的厌氧微生物的功能认知。这些具有多重代谢功能（固氮、铁还原、多糖降解）的菌株，为深入理解红树林湿地乃至其他类似厌氧环境中碳、氮、铁等元素耦合循环的微生物驱动机制提供了宝贵的菌种资源和理论依据。未来对Quyinboa属菌株的深入研究，有望揭示其在生态系统养分周转和生物修复应用中的潜力。