多组学技术揭示实验室培养海洋雪中微生物代谢互作及其碳汇机制

本研究针对海洋雪降解过程中微生物功能多样性及代谢互作机制不明的科学问题，通过建立实验室模拟系统结合宏基因组和宏蛋白质组学分析，发现γ-变形菌纲（Gammaproteobacteria）通过分泌辅助活性酶（AA2）和差异表达转运蛋白（TBDTs/ABCTs）驱动海洋雪降解，揭示了关键菌群（Alteromonas、Vibrio和Thalassotalea）的生态位分化机制，为理解海洋碳泵效率提供了新视角。论文发表于《Microbiome》。

　　

海洋中漂浮的"海洋雪"（marine snow）是连接表层与深海碳循环的关键载体，这些直径超过500μm的有机聚集体贡献了海洋颗粒有机碳输出的90%以上。然而，这些富含多糖的"海底雪花"在沉降过程中如何被微生物降解，不同菌群之间如何协作完成这一过程，始终是海洋微生物生态学的未解之谜。传统观点认为，附着在海洋雪上的微生物（MA）与周围自由生活微生物（FL）存在功能分工，但受限于现场观测难度，其精确代谢机制和生态位分化策略仍不清晰。

厦门大学的研究团队创新性地通过滚动培养系统模拟了海洋雪形成过程，利用非无菌微藻Picochlorum sp.构建实验室培养体系，结合多组学技术揭示了微生物群落的动态响应机制。研究发现，海洋雪形成后微生物群落结构发生剧烈变化，γ-变形菌纲相对丰度从30%飙升至84%，其中Alteromonas、Vibrio和Thalassotalea成为优势菌群。宏蛋白质组分析显示，这些菌群通过差异表达碳水化合物活性酶（CAZymes）和转运蛋白实现生态位分化：Alteromonas在FL和MA群落中均占主导（52%），其特异性表达的AA2亚家族酶（如KatG）能解毒海洋雪降解产生的过氧化物中间体；Vibrio偏好FL环境（20%），通过ATP结合盒转运蛋白（ABCTs）摄取低分子量水解产物；而Thalassotalea倾向MA群落（19%），依赖TonB依赖性外膜转运蛋白（TBDTs）获取底物。这种代谢分工使微生物群落能高效降解复杂多糖，同时解释了海洋雪降解过程中碳元素的再分配机制。

研究采用滚动培养系统模拟自然条件下海洋雪形成过程，通过3μm和0.22μm滤膜分级获取FL和MA群落样本。运用宏基因组测序（MEGAHIT组装、Prodigal基因预测）和质谱蛋白质组学（Q-Exactive Orbitrap）进行多组学分析，通过GTDB-Tk和RAxML构建77个MAGs的系统发育树，结合edgeR分析差异表达蛋白。CAZymes注释采用dbCAN数据库，转运蛋白功能通过定制TBDT数据库解析。

微生物群落结构与功能重塑
通过监测原核生物丰度发现，海洋雪添加30小时后FL群落达到4.7×10⁷ cells/mL，MA群落为3.3×10⁶ cells/mL。α多样性分析显示，宏蛋白质组的分类多样性显著高于宏基因组（P<0.01），但CAZymes和转运蛋白的多样性却呈现相反趋势，表明少数优势菌群主导了关键代谢功能表达。COG功能分类显示，能量转换（C）、翻译（J）和无机离子转运（P）相关蛋白在海洋雪组显著上调（PERMANOVA, P<0.01）。

关键代谢途径解析
AA2酶在MA群落的占比达66%，其中79%具有信号肽定位于周质空间，显著高于FL群落的48%（P<0.05）。转运蛋白分析揭示TBDTs在海洋雪组占比49%，主要来自Alteromonadales（95%），负责摄取DOM；而ABCTs在对照组占90%，海洋雪组降至41%，主要由Vibrionales表达用于氨基酸转运。双组分系统（TCPs）中OmpR和CheA家族蛋白在Alteromonadales中高表达，暗示其通过趋化和渗透调节适应海洋雪环境。

关键菌群的代谢分工
从77个MAGs中鉴定出3个高质量基因组（完整度>90%）：bin.74（Alteromonas）在FL和MA群落分别贡献52%和42%的序列，其KatG（AA2）表达量比对照组高3倍（Log₂FC=1.8）；bin.20（Vibrio）偏好FL环境，通过上调ABCTs（如K02003）和糖酵解酶获取能量；bin.22（Thalassotalea）的TBDTs在MA群落表达量比FL高8倍（Log₂FC=3），证实其依赖颗粒附着生活方式。Bacteroidetes的bin.70虽仅占5%，但其SusC/SusD淀粉利用系统的上调表明其参与后期降解。

这项研究首次通过多组学联用技术揭示了海洋雪降解的微生物"分工蓝图"：Alteromonas作为"先锋降解者"通过AA2酶破解多糖链并解毒活性氧，Vibrio和Thalassotalea则分别采用ABCTs和TBDTs策略"分食"不同分子量的水解产物。这种代谢互补机制不仅解释了海洋雪快速降解的微生物驱动机制，也为预测碳输出效率提供了新参数。特别值得注意的是，Alteromonas的AA2酶可能通过减少活性氧损伤延长降解过程，这一发现为理解海洋RDOC（难降解有机碳）的形成提供了新思路。研究建立的实验室模拟系统与多组学分析框架，为后续研究不同环境条件下的微生物碳循环提供了方法学范式。