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为解决固氮微生物难以准确鉴定和分类，以及其 nif 基因进化关系不明确的问题，研究人员开展了基于 Nif 核心探索固氮微生物多样性的研究。结果发现众多潜在固氮物种，划分出 10 个固氮类群。该研究有助于预测和分类固氮生物，推动对生物固氮机制的理解。
在神秘的微生物世界里，生物固氮（Biological Nitrogen Fixation，BNF）如同一个至关重要的环节，默默影响着整个地球的生态平衡。生物固氮是指固氮微生物将空气中的氮气（N?）转化为氨（NH?）的过程，这一过程对维持生态系统的氮素循环起着关键作用 。而执行这一神奇转化的 “主角”，便是固氮微生物。这些微生物能够利用固氮酶（Nitrogenase），在复杂的环境中完成氮气到氨的转化。然而，固氮微生物的种类繁多，其固氮基因 ——nif 基因，存在着显著的多样性。这种多样性使得准确鉴定潜在的固氮微生物变得异常困难，就像在茫茫微生物海洋中寻找隐藏的宝藏，充满挑战。同时，nif 基因在不同微生物间的进化关系也如同迷雾一般，难以捉摸。为了揭开这些谜团，来自巴西联邦大学巴拉那分校（Federal University of Paraná，UFPR）的研究人员 Bruno Thiago de Lima Nichio 等人展开了深入研究。他们的研究成果发表在《BMC Genomics》杂志上，为我们理解固氮微生物的奥秘带来了新的曙光。
研究人员运用了多种关键技术方法。首先，通过 SWeeP（Spaced Words Projection）技术，将生物序列转化为紧凑向量，有效降低了生物数据的复杂性，同时保留了序列间的可比性，就像是为海量的生物序列数据打造了一把便于梳理的 “钥匙”。其次，使用 RAFTS3G（Rapid Alignment-Free Tool for Sequences Similarity Search to Groups）软件，对大量蛋白质数据集进行聚类分析，高效地识别出同源的 Nif 蛋白，极大地提高了研究效率。此外，研究人员还通过构建系统发育树、进行基因组共线性分析等方法，深入探究固氮微生物的进化关系和基因特征。
研究结果如下：
- 潜在固氮微生物的鉴定：研究人员通过系统研究，从文献中收集并分析了大量数据，利用 RAFTS3G 技术从 118 个固氮微生物基因组中鉴定出 22 类 Nif 蛋白，构建了包含 2,156 个 Nif 蛋白序列的数据库。在此基础上，结合 SWeeP 方法，对更多物种进行分析，最终确定了 711 个原核生物蛋白质组，其中 544 个具有完整的 Nif 核心（Nif core，包括 NifH、NifD、NifK、NifE、NifN 和 NifB）。通过合并文献中的物种和新发现的物种，共识别出 662 个含有 Nif 核心的古细菌和细菌蛋白质组，其中 52 个物种此前未被报道与生物固氮相关。
- 固氮微生物的分类与特征分析：通过多种统计方法，研究人员确定了最佳聚类值 k=10，将固氮微生物分为 10 个不同的类群。这些类群在系统发育和功能上呈现出明显的特征差异，并且具有显著的共线性模式。例如，G3 类群主要由古细菌和一些严格厌氧的细菌组成，其 nif 基因结构紧凑，且存在一些辅助基因，如 nifX 和 nifV，这些基因可能与提高固氮效率有关；G6 类群则全部由蓝细菌组成，其 nif 核心具有相对保守的模式，同时还存在一些与电子转移和固氮酶组装相关的基因，如 fdxB、hesA、hesB 和 monC。
- Nif 核心的复制现象：研究发现，在一些蓝细菌物种和 Azoarcus sp. KH32C 中存在 Nif 核心蛋白的复制现象。这种复制表明可能存在不同的基因位点，对应着两个不同的 nif 基因簇，这对于理解生物固氮的进化和调控机制具有重要意义。
研究结论和讨论部分指出，该研究全面揭示了具有 Nif 核心的固氮微生物的多样性、分布和进化关系。研究发现的潜在固氮物种，如 Skermanella pratensis 和 Skermanella sp. TT6，丰富了人们对固氮微生物的认识，它们在维持土壤肥力、促进植物生长和增强生态系统稳定性方面可能发挥着重要作用，为生物肥料的开发提供了新的潜在资源。此外，不同类群固氮微生物的基因模式和调控机制的差异，反映了它们对不同生态环境的适应，为进一步探究生物固氮的分子机制和进化意义提供了宝贵的框架。例如，不同类群中 nif 基因与其他基因簇的整合，如 isc 和 rnf 基因簇，表明固氮过程可能与铁硫簇组装和电子转移等过程密切相关。总之，这项研究为生物固氮领域的发展提供了重要的理论基础，有助于推动可持续农业和生态保护等领域的发展。
