南太平洋环流区中多样的根瘤菌-硅藻共生体驱动海洋氮固定新发现

《ISME Communications》：Diverse community of Rhizobia-diatom symbioses fixes nitrogen in the South Pacific Gyre

本刊推荐：在寡营养的南太平洋环流区，研究人员针对非蓝藻固氮微生物（NCD）开展研究，通过nifH基因测序、荧光原位杂交（FISH）和纳米二次离子质谱（nanoSIMS）技术，发现隶属于"Marine 1"类群的根瘤菌目（Rhizobiales）细菌与硅藻形成新型共生关系，这些共生体可贡献高达40%的氮固定量，揭示了异养固氮菌在海洋氮循环中的关键作用。

　　

在浩瀚的海洋中，氮元素如同生命的货币，制约着整个生态系统的繁荣。然而在占海洋面积大部分的寡营养海域，溶解态无机氮的稀缺成为了初级生产力的主要限制因素。虽然大气中含有丰富的氮气（N₂），但只有少数具有固氮能力的微生物能够将这种惰性气体转化为生物可利用的氨，这一过程被称为氮固定。

长期以来，科学家们认为海洋中的氮固定主要由蓝藻完成，如束毛藻（Trichodesmium）、与硅藻共生的丝状蓝藻Richelia，以及单细胞蓝藻固氮菌UCYN-A、UCYN-B和UCYN-C。然而，越来越多的证据表明，在众多海域测得的氮固定速率无法完全用已知蓝藻固氮菌的活动来解释。特别是在全球最大的表层水生物群落——南太平洋环流区，尽管蓝藻固氮菌稀少甚至检测不到，却依然存在显著的氮固定活动。

这一矛盾现象暗示着海洋中可能存在一类被忽视的固氮微生物——非蓝藻固氮菌（NCD）。分子生物学研究显示，作为固氮酶标志基因的nifH基因在海洋中呈现出惊人的多样性，其中一类被称为"Marine 1"的未培养菌群尤其引人注目。该类群中包含最近在热带北大西洋发现的硅藻共生体——"Candidatus Tectiglobus diatomicola"，一种属于根瘤菌目（Rhizobiales）的异养细菌，以及其近亲"Ca. T. profundi"。这些发现提出了一个关键科学问题：这些新型固氮共生体是否在全球其他海域广泛存在？它们在海洋氮循环中究竟扮演着怎样的角色？

为了解答这些问题，由Mertcan Esti和Miriam Philippi共同领导的研究团队在南太平洋环流区开展了一项综合研究，相关成果发表在《ISME Communications》上。研究人员通过多学科方法，揭示了这一海域中根瘤菌-硅藻共生系统的多样性、分布及其生态重要性。

研究团队采用的主要技术方法包括：利用CTD采水器进行水体采样和水文参数测定；通过稳定同位素示踪技术（¹⁵N₂和¹³CO₂）测定氮固定和初级生产力速率；基于nifH基因的高通量测序分析固氮微生物群落结构；针对Ca. Tectiglobus的荧光原位杂交（FISH）技术进行共生体可视化；扫描电子显微镜（SEM）观察宿主硅藻形态特征；以及纳米二次离子质谱（nanoSIMS）在单细胞水平测定同位素富集程度。样本来源于2015年12月至2016年1月期间R/V Sonne科考船在南太平洋15个站点采集的海水样品。

南太平洋海洋化学环境与氮固定活动

研究区域覆盖了两个不同的海洋学区域：中央南太平洋环流的寡营养水域和西南太平洋的中营养水域。环流区表层水显示硝酸盐/亚硝酸盐（NO_x）耗竭，营养盐跃层位于150至200米深度。氮固定速率在环流区最为显著，范围在0.1至0.8 nmol N L^-1 d^-1之间，可检测到活动的最大深度达200米。研究结果表明，南太平洋环流区的氮固定活动主要发生在氮耗竭的表层水域，且对溶解无机氮浓度变化较为敏感。

nifH基因型的多样性与分布

nifH基因扩增子分析共鉴定出174个独特的nifH ASVs（扩增子序列变体），归属于六个已知nifH群组中的I、II和III群。大多数ASVs（64%）属于nifH I群，并与缺乏纯培养代表的"Marine 1"类群聚在一起。该类群包含Ca. T. diatomicola和Ca. T. profundi的nifH序列，进一步划分为30个系统发育分支，其中9个主要分支包含了数据集中最丰富的ASVs。这些分支在南太平洋的分布不均，有些遍布大部分环流区，而其他则表现出区域特异性，表明它们可能存在生态生理学差异。

Ca. Tectiglobus物种的可视化、丰度与单细胞活性

通过基因组 refinement 技术，研究人员获得了Ca. T. profundi的全长16S rRNA基因序列，确保了FISH探针的特异性。研究发现在五个调查站点均存在FISH阳性细胞，这些细胞位于羽纹硅藻内部。与热带北大西洋通常含有四个中央共生体的情况不同，南太平洋的硅藻共生体包含两种主要类型：36个硅藻含有四个中央共生体，36个含有两个中央共生体。大多数宿主硅藻的形态与在热带北大西洋发现的相似，但研究也发现了一个形态明显不同的较大硅藻（长85μm，宽14.5μm），表明存在新的宿主-共生体组合。

基于显微计数的绝对丰度显示，含有共生体的硅藻在特定深度样品中的数量为107至160个细胞L^-1。单细胞同位素比率测量显示，所有测量的硅藻及其共生体均因固定¹⁵N标记的N₂和¹³C标记的CO₂而富集¹⁵N和¹³C。单细胞氮固定速率范围为186至2552 fmol N共生体^-1 d^-1，与在热带北大西洋测量的速率相当。结合丰度和单细胞速率计算表明，这些共生体对南太平洋环流区测量的总体氮固定速率的贡献约为25-40%。

"Marine 1"类群的生态生理学

通过主成分分析（PCA）探索"Marine 1"类群成员的生态生理学特征，发现前两个主成分解释了数据集中71%的方差。具有较高"Marine 1" nifH序列相对丰度的样品与温度、盐度和氮固定活动聚在一起，主要来源于环流区的透光层，而来自更深和/或营养更丰富水域的样品显示出最低的"Marine 1"丰度。这表明"Marine 1"类群成员主要适应寡营养环境条件。

研究结论与讨论部分强调，这项工作首次确认了南太平洋环流区中存在活跃的氮固定贡献者。研究表明"Marine 1"类群中包含多个Ca. T. diatomicola和Ca. T. profundi的近亲，它们也是羽纹硅藻的固氮共生体，扩展了共生体和宿主的多样性。这些根瘤菌-硅藻共生体在南太平洋环流区的氮固定中贡献显著，考虑到这一全球最大海洋生物群落的面积以及"Marine 1"类群nifH基因在其他海域的广泛存在，这些异养固氮菌可能在海洋氮循环中扮演着比先前认知更为重要的角色。

研究还发现不同的"Marine 1"分支可能具有不同的生态位偏好，类似于已知的海洋微生物生态型分布模式。这种多样性可能使它们能够适应南太平洋环流区内细微的环境梯度变化。与宿主的共生关系解释了为什么"Marine 1"类群的nifH基因通常在较大粒径部分或海洋颗粒上被发现。

这项研究不仅解决了一个长期存在的谜团——南太平洋环流区中氮固定的主要贡献者身份，而且打开了一扇探索海洋中新型共生系统的大门。随着气候变化持续影响海洋生态系统，了解这些微小但强大的氮固定者的分布、活性和响应机制，对于预测未来海洋生产力和碳循环变化具有重要意义。研究结果强调，在评估全球海洋氮预算和建模未来气候变化情景时，必须充分考虑这些非蓝藻固氮微生物的贡献。