新发现！南海海马冷泉 “宝藏细菌”Bacillus haimaensis sp. nov. 的独特奥秘与应用潜力

本文从南海海马冷泉沉积物中分离出Bacillus haimaensis sp. nov. 新菌种。经多方面分析确认其新物种地位，它具备适应冷泉环境的独特代谢和基因特征，在生物修复、天然产物开发等方面潜力巨大，为研究深海微生物提供新视角。

　　

深海冷泉微生物研究背景

深海冷泉是特殊的生态系统，富含甲烷的流体渗出，滋养着多样的微生物群落。这些微生物在全球生物地球化学循环中意义重大，还可能产出新型生物活性化合物，具有生物技术应用潜力。然而，人们对冷泉，尤其是南海冷泉的微生物多样性和适应性了解有限。

Bacillus属细菌代谢多样，能形成内生孢子，在极端环境中生存能力强，在生物技术领域应用前景广泛。基因组技术的发展为深入研究微生物的分类和功能提供了有力工具，有助于揭示深海冷泉微生物的独特特性。

南海海马冷泉是该区域仅有的两个活跃冷泉之一，但其微生物群落和功能尚不明晰。研究海马冷泉微生物多样性，对了解生态动态、挖掘潜在生物技术资源至关重要。本研究从海马冷泉沉积物中分离鉴定出Bacillus haimaensis sp. nov.，为探究深海冷泉微生物适应策略提供了新线索。

材料与方法

1. 样品采集与细菌分离：在南海海马冷泉（16.73°N，110.475°E）1350 米深处采集沉积物样本。将 5 克沉积物悬浮于 40 毫升无菌水中，取 100 微升 100 倍稀释液涂布在 2216E 琼脂培养基上，28°C 有氧培养 1 周，通过反复划线分离纯化单个菌落。
2. 菌株鉴定与保存：用通用引物 27F 和 1492R 扩增分离菌株的 16S rRNA 基因，由擎科生物技术公司测序。利用 EzBioCloud 在线服务器进行初步分类鉴定，选定菌株 CSS-39^T作进一步研究。
3. 表型特征分析：用 1%（w/v）磷钨酸负染后，通过透射电子显微镜（TEM）观察细胞形态。在 2216E 液体培养基中评估不同温度、盐度、pH 条件下的生长特性，通过测量 600nm 处的吸光度（OD₆₀₀）监测生长情况。用 Biolog GEN III 微平板系统检测碳源利用情况，重点关注环境相关化合物。
4. 基因组测序、组装与注释：用细菌 DNA 提取试剂盒提取基因组 DNA，由诺禾致源科技有限公司进行单分子实时测序。用 Canu v2.0 组装测序读段，用 QUAST v5.0.2 评估组装质量，用 Prodigal v2.6.3 预测基因，通过多个数据库进行功能注释，用 IslandViewer 4 识别基因组岛，用 antiSMASH v7.0 预测生物合成基因簇，用 Proksee 服务器生成基因组圈图。
5. 系统发育与比较基因组分析：从 NCBI 数据库获取相关菌株的 16S rRNA 序列，用 Clustal W 进行序列比对，MEGA-X 构建基于 16S rRNA 序列的邻接系统发育树，iTOL v6 优化。从 NCBI 基因组数据库获取B. tianshenii相关菌株的全基因组序列，计算平均核苷酸同一性（ANI）和数字 DNA-DNA 杂交（dDDH）值，用 GBDP 方法构建全基因组序列系统发育树，用 Orthovenn3 进行比较基因组分析。

研究结果

1. 形态与生长特征：菌株 CSS-39^T在 2216E 琼脂培养基上形成圆形、光滑、浅黄色菌落。TEM 显示其细胞呈杆状，无鞭毛和菌毛。该菌株生长温度范围为 4°C - 45°C，最适温度 37°C；pH 适应范围 6 - 9，最适 pH 8；可在 0% - 4% NaCl 浓度下生长，最适浓度 2%，展现出对冷泉多变环境的适应性。
2. 生理生化特征：Biolog GEN III 分析表明，CSS-39^T能利用多种碳源，包括多种糖类、糖醇类和氨基酸，代谢能力比B. tianshenii DSM 25879^T更广泛，这可能有助于其在冷泉营养多变的环境中生存。
3. 系统发育分析与分类地位：基于 16S rRNA 基因序列的系统发育分析显示，CSS-39^T属于Bacillus属，与B. tianshenii DSM 25879^T亲缘关系最近，序列同一性达 99.01%。全基因组系统发育分析更清晰地表明它是Bacillus属中的一个独特谱系。
4. 基因组相关性与物种界定：CSS-39^T与B. tianshenii相关菌株的 ANI 值为 87.78% 和 87.56%，dDDH 值为 34.0%，均远低于物种界定阈值，结合其独特的表型和系统发育特征，确定其为新物种，命名为B. haimaensis sp. nov.。
5. 基因组特征与功能注释：B. haimaensis sp. nov. 基因组为单一环状染色体，大小 4,544,581 bp，GC 含量 42.4%，包含 4,546 个预测开放阅读框（ORFs）。功能注释显示其在氨基酸、碳水化合物和蛋白质代谢方面基因丰富，还含有参与芳香化合物降解的关键基因，在海洋生物修复方面有潜在应用价值。
6. 基因组岛与次生代谢产物生物合成：通过 IslandViewer 4 分析，鉴定出 21 个基因组岛，包含多种功能基因，如营养获取、代谢适应和孢子形成相关基因，可能通过水平基因转移获得，增强了对冷泉环境的适应性。antiSMASH 分析发现 6 个生物合成基因簇（BGCs），部分与已知簇相似度低，暗示其有产生新型次生代谢产物的潜力。
7. 比较基因组分析：与B. tianshenii相关菌株的比较基因组分析确定了 3,543 个核心直系同源基因簇，主要涉及代谢过程。B. haimaensis sp. nov. 有 27 个独特基因簇，与孢子萌发和硫酸盐同化相关，这些独特基因可能赋予其在冷泉环境中的竞争优势。

研究讨论

本研究综合多种方法，确认B. haimaensis sp. nov. 为新物种，并揭示其对冷泉环境的适应机制。全基因组测序技术在细菌分类中具有重要意义，当 16S rRNA 基因序列相似度高时，基因组指标能更准确地界定物种。

B. haimaensis sp. nov. 代谢多样，能利用多种碳源，比B. tianshenii DSM 25879^T更适应冷泉环境。其基因组含有芳香化合物降解和硫酸盐同化相关基因，在冷泉生态系统中发挥着重要作用，也为海洋生物修复提供了潜在途径，但还需实验验证其实际降解能力。

与其他冷泉细菌相比，B. haimaensis sp. nov. 代谢灵活性高，具有独特的适应策略。其 27 个独特基因簇，包括孢子萌发、硫酸盐同化和多种应激反应相关基因，通过水平基因转移获得，增强了对冷泉环境的适应能力。

B. haimaensis sp. nov. 的 6 个 BGCs，尤其是与已知簇相似度低的部分，显示出其在天然产物发现方面的潜力，海洋芽孢杆菌是生物活性化合物的重要来源，冷泉环境可能促使其进化出新型生物合成途径。

本研究也存在局限性，如对其在冷泉群落中的生态相互作用了解不足，生物合成基因簇产物和功能需实验验证，代谢和应激反应调控机制有待研究。未来可通过元转录组学、探究与其他微生物的共生关系、实验表征生物合成基因簇和分析应激反应机制等方法，深入研究B. haimaensis sp. nov.，挖掘其在生物技术领域的应用潜力。

综上所述，B. haimaensis sp. nov. 的发现丰富了人们对深海冷泉微生物多样性的认识，为研究细菌适应极端海洋环境提供了新模型，其独特的代谢和基因组特征在生物修复和天然产物开发等方面前景广阔，也凸显了探索深海环境微生物资源的重要性。