红海凯布里特深海盐水 - 海水界面新型硫化物氧化菌的代谢奥秘与生态意义

为探究硫化物氧化菌在深高盐缺氧盆地（DHABs）中的基因组和代谢特征等问题，研究人员对红海凯布里特深海盐水 - 海水界面（BSI）的硫化物氧化弯曲杆菌进行研究。结果发现新物种，其代谢存在冗余和特化。该研究有助于理解微生物在 DHABs 中的作用和生态互动。

　　在神秘的海洋深处，存在着一些特殊的区域，如深高盐缺氧盆地（DHABs）。这里有着独特的环境，高浓度的盐水和丰富的硫化物，为微生物的生存提供了特殊的挑战和机遇。在这些区域中，硫化物氧化菌是关键的参与者，它们在硫循环中发挥着重要作用，参与了初级生产，影响着整个生态系统的平衡。然而，尽管它们如此重要，科学家们对这些细菌在 DHABs 中的基因组和代谢特征却知之甚少。这种知识的缺乏，使得我们难以深入理解它们在这种特殊生态系统中的适应机制、功能作用，以及与其他微生物之间的生态互动。

为了解开这些谜团，来自 King Abdullah University of Science and Technology 的研究人员开展了一项深入的研究。他们将目光聚焦在红海的凯布里特深海（Kebrit Deep），这里的盐水 - 海水界面（BSI）是微生物生活的热点区域。研究人员假设，生活在这个独特环境中的弯曲杆菌（Campylobacterota）可能经历了独特的进化轨迹和选择过程。

研究人员通过精心设计的实验，对凯布里特深海 BSI 进行了详细的研究。他们采集了不同深度的水样，对其中的微生物进行了全面的分析。通过一系列复杂而精细的实验操作，他们最终得出了一系列令人瞩目的结论。

研究发现，在凯布里特深海 BSI 中存在着三种新型的硫化物氧化弯曲杆菌，分别属于硫单胞菌属（Sulfurimonas）和硫卵菌属（Sulfurovum）。这些新物种被命名为 Candidatus Sulfurimonas kebritiensis、Candidatus Sulfurovum kebritense 和 Candidatus Sulfurovum profundilacunae。它们在 BSI 中呈现出分层分布的特点，并且利用还原性三羧酸循环（rTCA）固定二氧化碳，成为了初级生产者。

在代谢方面，这些细菌展现出了惊人的多样性和适应性。它们的能量产生过程包括有氧或厌氧 - 硝酸盐依赖的硫化物氧化，以及氢氧化。此外，除了常见的渗透保护途径，如合成和摄取脯氨酸和谷氨酸，两种凯布里特深海硫卵菌物种还具有合成四氢嘧啶（ectoine）的基因组特征，这进一步帮助它们适应了高盐环境。这种在有限空间内的代谢冗余和特化，对于调节微生物之间的相互作用至关重要，包括与硫酸盐还原菌、异养菌和其他初级生产者的相互作用。

这项研究成果发表在《Environmental Microbiome》上，具有重要的意义。它为我们揭示了深海微生物的奥秘，让我们对微生物在极端环境中的生存策略有了更深入的理解。这不仅有助于我们更好地认识海洋生态系统的复杂性，还为未来探索微生物在其他极端环境中的作用提供了重要的参考。

研究人员开展研究用到的主要关键技术方法包括：首先，利用 Rosette 系统和 CTD 传感器系统采集凯布里特深海 BSI 不同深度的水样；接着，通过 DNA 提取、16S rRNA 基因扩增子文库制备、测序及分析，初步了解微生物群落；然后，构建宏基因组文库并测序分析，进行基因组组装和分箱，得到宏基因组组装基因组（MAGs）；最后，进行系统发育分析、泛基因组分析等深入研究。

下面具体介绍研究结果：

• 微生物多样性沿 BSI 梯度的变化：研究人员通过精确的采样策略，对凯布里特深海 BSI 的梯度进行了细致的分析。发现 BSI 具有高浓度的 H₂S、CO₂，以及独特的盐度、pH、温度和氧气梯度。这些梯度导致了微生物群落的分层，弯曲杆菌在 BSI 细菌群落中占比平均为 5%，且在不同深度呈现出不同的相对丰度1。
• 宏基因组组装、分箱及弯曲杆菌的鉴定：运用 MAG 方法对微生物基因组进行重建，经过一系列复杂的操作，包括序列组装、分箱和去冗余，最终得到 111 个非冗余的中 / 高质量 MAGs，其中 3 个被鉴定为弯曲杆菌。这三个 MAGs 在 BSI 层中达到了微生物群落的 8.9%，几乎涵盖了凯布里特深海弯曲杆菌的全部多样性2。
• 系统发育分析揭示新物种：通过构建系统发育树，并计算 ANI、dDDH、POCP 和 AAI 等指标，研究人员发现这三个弯曲杆菌 MAGs 代表了新的物种。根据国际原核生物命名法规，将它们分类为新的候选物种3。
• 基因组相关统计：新物种的基因组大小、编码密度和 GC 含量与它们的近亲存在差异。基因组的减少与高编码密度相关，这可能暗示着它们与群落中其他成员更高水平的代谢相互依赖。而较高的 GC 含量可能与 BSI 的特殊环境条件有关4。
• 基因含量变异性：通过泛基因组分析，研究人员发现硫单胞菌和硫卵菌在基因组成上存在差异。核心基因簇编码了一些关键的代谢功能，而特定基因簇则反映了它们对高盐环境的适应。例如，硫卵菌 Kbt_02 和 Kbt_03 具有合成四氢嘧啶和羟基四氢嘧啶的基因簇，这是对凯布里特深海高盐环境的独特适应5。
• 代谢潜力：在碳代谢方面，三个 MAGs 都依赖化学自养代谢，通过 rTCA 循环固定碳，并且在利用醋酸盐等方面存在差异。在硫代谢上，它们具有氧化硫化物的潜力，且在 SOX 系统等方面存在差异。氮代谢方面，Kbt_03 具有完整的反硝化途径，而 Kbt_01 和 Kbt_02 只有氮同化途径。此外，它们都具有氧化 H₂的能力，并且拥有应对氧气毒性、调节铁代谢、适应盐度和渗透压压力的机制，部分细菌还具有运动能力6。
• 微生物相互作用：通过构建共发生网络，研究人员发现弯曲杆菌在微生物群落中具有广泛的连接性，与多种细菌存在相互作用。它们在网络中扮演着关键物种的角色，对维持生态系统的稳定性和功能起着重要作用7。

研究结论和讨论部分指出，凯布里特深海 BSI 的物理化学条件，特别是氧化还原和盐度梯度，定义了微生物的生态和代谢 niche，驱动了微生物群落的多样化和动态变化。弯曲杆菌物种展示出广泛的基因组可塑性和代谢冗余，能够有效利用地球化学梯度和可用资源，同时，限制因素也导致了代谢特化，减少了物种间的竞争。然而，由于盐度增加，这些细菌的相对丰度总体下降，表明合成或导入渗透保护剂的能量成本可能超过了它们的适应能力。这项研究强调了 BSI 化学梯度在调节电子供体 / 受体可用性、塑造代谢连续体方面的关键作用，为深入理解 DHABs 中的微生物多样性和相互作用提供了重要依据。