尿素利用驱动海洋主要氨氧化古菌的生态位分化

《Nature Communications》：Urea use drives niche separation between dominant marine ammonia oxidizing archaea

本研究针对海洋氨氧化古菌(AOA)在寡营养海域如何维持高丰度这一关键问题，通过对比研究墨西哥湾、黑海和安哥拉涡旋三个典型海区，揭示了尿素利用是驱动Nitrosopelagicus和Nitrosopumilus两大AOA类群生态位分化的关键因素。研究发现，在铵盐匮乏的开阔大洋，Nitrosopelagicus通过高效利用尿素维持硝化作用和初级生产力，为理解海洋氮循环提供了新机制。论文发表于《Nature Communications》。

　　

在浩瀚的海洋中，生活着一类微小但数量极其庞大的微生物——氨氧化古菌(Ammonia-Oxidizing Archaea, AOA)。它们虽然个体微小，却在全球氮循环中扮演着举足轻重的角色，负责将氨氮转化为亚硝酸盐，推动着整个海洋生态系统的氮素转化。然而，一个长期困扰科学家的谜团是：在广袤的寡营养开阔大洋中，铵盐浓度常常低至纳摩尔水平，为何AOA依然能够维持如此高的丰度，约占海洋微生物总量的20%？

近年来，科学家们发现尿素可能为这一谜题提供了重要线索。尿素作为一种广泛存在的有机氮化合物，在海洋中由有机质降解和生物排泄产生，是溶解有机氮库的重要组成部分。此前研究表明，在营养丰富的海岸带水域，AOA（主要以Nitrosopumilus属为主）能够利用尿素，但仅作为氨氮的补充来源。然而，在开阔大洋，与尿素利用相关的基因（如ureC，编码脲酶的α亚基）高度流行且表达活跃，暗示着尿素可能对大洋中的AOA更为重要。与此同时，海洋中两大优势AOA类群——主要分布在近海的Nitrosopumilus和主要分布在大洋的Nitrosopelagicus——存在着明显的生态位分化，但其驱动机制尚不清楚。是底物偏好的差异导致了它们的分化吗？尿素在其中起到了什么作用？为了回答这些问题，由Joerdis Stuehrenberg和Katharina Kitzinger等研究人员领导的研究团队在《Nature Communications》上发表了他们的最新研究成果。

研究人员综合运用了船基同位素标记实验、单细胞成像技术和宏基因组/宏转录组学分析。他们选择了三个具有不同生产力水平的典型海洋环境作为研究区域：富营养化的墨西哥湾（高铵盐）、中营养的黑海西部海盆（存在铵盐梯度）以及寡营养的安哥拉涡旋（低铵盐）。通过测量氨氧化和尿素氧化速率，结合纳米二次离子质谱(NanoSIMS)分析单细胞对¹⁵N标记底物（铵盐和尿素）的同化情况，并利用特异性荧光原位杂交(CARD-FISH)探针区分不同的AOA类群，研究人员深入比较了Nitrosopumilus和Nitrosopelagicus在不同环境下的底物利用策略。

结果一：尿素氧化在开阔大洋的重要性增加

研究证实，从近海到大洋，随着环境由富营养向寡营养转变，铵盐浓度显著下降，而尿素浓度相对稳定。这使得尿素氮相对于（铵盐氮+尿素氮）的比例在安哥拉涡旋和黑海（约0.67-0.69）远高于墨西哥湾（约0.33）。相应地，尿素氧化对总硝化作用（氨氧化+尿素氧化）的贡献在墨西哥湾很低（约3.5%），在黑海升至约12%，而在安哥拉涡旋则高达约44%，甚至在某些样本中超过了氨氧化速率。这表明在寡营养海域，尿素已成为与铵盐同等重要的硝化作用底物。

结果二：开阔大洋的尿素氧化在铵盐存在下持续进行

一个关键发现是，当向水体中添加大量铵盐时，墨西哥湾的AOA群落几乎停止氧化尿素，显示出对铵盐的强烈偏好。然而，在黑海和安哥拉涡旋，尿素氧化速率并未因铵盐的添加而显著改变。这表明开阔大洋的尿素利用者对于短期的铵盐增加不敏感，持续地利用尿素，暗示其具有独特的底物利用策略。

结果三：开阔大洋AOA的尿素利用基因库增强

宏基因组和宏转录组分析显示，AOA群落组成随环境梯度发生显著变化。Nitrosopumilus在墨西哥湾占绝对主导（~95%），但其相对丰度在黑海（~65%）和安哥拉涡旋（~18%）下降，而Nitrosopelagicus（包括WCA和WCB两种生态型）的相对丰度则增加。更重要的是，与尿素利用相关的基因（ureC, dur3）在Nitrosopelagicus中的携带率和表达水平普遍高于Nitrosopumilus，特别是在寡营养海域。例如，在安哥拉涡旋，Nitrosopelagicus的ureC:amoA和dur3:amoA基因比率接近或达到1:1，表明几乎整个种群都具备尿素利用能力。

结果四：近海与开阔大洋AOA不同的氮同化策略

最具说服力的证据来自黑海样品的单细胞水平研究。NanoSIMS分析显示，共存的Nitrosopumilus和Nitrosopelagicus表现出截然不同的氮同化模式。几乎所有的Nitrosopumilus细胞都高效同化了¹⁵N-铵盐，其基于氮的同化生长速率远高于Nitrosopelagicus。相反，只有约37%的Nitrosopelagicus细胞同化了铵盐，且速率很低。然而，在尿素同化方面，Nitrosopelagicus与Nitrosopumilus差异显著：Nitrosopelagicus对尿素和铵盐的同化程度相似，并且在添加铵盐的情况下，其尿素同化速率保持不变；而Nitrosopumilus和其他微生物则主要同化铵盐，添加铵盐会显著抑制其尿素同化。这表明Nitrosopelagicus能够平等地利用铵盐和尿素，甚至可能同时利用两者，从而在寡营养环境中实现生长速率的倍增。

本研究通过多环境、多技术的综合论证，揭示了尿素利用是驱动海洋主要氨氧化古菌Nitrosopelagicus和Nitrosopumilus生态位分化的关键机制。Nitrosopumilus策略保守，优先利用铵盐，适应于铵盐相对丰富的近海环境；而Nitrosopelagicus策略灵活，能够平等且可能同时利用铵盐和尿素，这使其在铵盐匮乏的开阔大洋占据优势。这一发现不仅解释了AOA在全球海洋中的分布模式，更重要的是，它表明以往仅基于氨氧化速率估算的海洋硝化作用可能被严重低估，尤其是在寡营养海域，尿素驱动的硝化作用贡献巨大。

研究的深远意义在于，它重新定义了我们对开阔大洋氮循环的理解。尿素仅是庞大海洋溶解有机氮(Dissolved Organic Nitrogen, DON)库中的一小部分。该研究提示，Nitrosopelagicus可能还具有利用其他有机氮化合物（如氨基酸、多胺等）的能力，从而进一步缓解其底物限制。作为大洋中最丰富的微生物之一，Nitrosopelagicus通过选择性利用DON中的氮素，可能深刻影响着整个溶解有机质库的组成和转化，甚至参与塑造了开阔大洋中碳富集难降解溶解有机质的形成。因此，这项研究为理解微生物如何调控海洋生物地球化学循环及全球气候变化提供了新的视角和理论基础。