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【编辑推荐】为探究非蓝藻固氮菌（NCDs）在海洋氮循环中的作用，研究人员以三角褐指藻（Phaeodactylum tricornutum, Pt）为模型，发现其藻际圈存在 Rhizobiales 目 NCDs（如 Bradyrhizobium 等），证实其固氮能力及广泛生态分布，为解析海洋氮固定机制提供新模型。
在广袤的海洋中，氮元素是调控生物生产力的关键因子。尽管氮气（N?）占大气和海水的主要成分，但绝大多数海洋生物无法直接利用这种惰性氮源，必须依赖固氮微生物将其转化为可利用的活性氮。长期以来，蓝藻被认为是海洋中主要的固氮生物，然而近年来分子生物学证据表明，非蓝藻固氮菌（non-cyanobacterial diazotrophs, NCDs）在表层海水中占据主导地位，这一发现颠覆了传统认知，却也带来新的科学谜题：这些假定的异养型细菌究竟如何在光照充足、富氧的海洋透光层中生存并进行固氮？
为破解这一谜团，法国南特大学（Université de Nantes）等机构的研究人员聚焦于海洋微藻与 NCDs 的互作关系，以模式硅藻 —— 三角褐指藻（Phaeodactylum tricornutum, Pt）为研究对象，展开了多维度研究。相关成果发表于《Genome Biology》，为理解全球海洋氮循环提供了突破性视角。
研究技术与方法
研究团队综合运用微生物组学、基因组学及同位素示踪技术：
- 宏基因组测序与组装：对 Pt 藻际细菌群落进行高通量测序，组装获得多个 NCDs 的宏基因组组装基因组（MAGs），并通过系统发育分析明确其分类地位。
- 固氮活性验证：利用乙炔还原法（Acetylene Reduction Assay, ARA）检测乙烯生成，结合 1?N?同位素标记与液质联用（LC-MS）技术，直接证实 NCDs 的固氮能力。
- 细菌分离与培养：通过选择性培养基从 Pt 藻际分离出 9 株细菌，其中 6 株被鉴定为固氮菌，包括 Bradyrhizobium、Methylobacterium 等。
- 生态分布分析：基于 Tara Oceans 数据集，分析 Pt 相关 NCDs 的全球分布特征及其与微真核生物的共现模式。
研究结果解析
1. Pt 藻际圈 NCDs 的鉴定与固氮功能验证
在氮缺乏条件下，Pt15 株系（采自中国东海）的共生培养物可长期存活，而无菌对照死亡。宏基因组分析显示，其藻际细菌群落以 α- 变形菌纲（Alphaproteobacteria）为主，尤其是 Rhizobiales 目成员（如 Bradyrhizobium、Mesorhizobium、Georhizobium 等），这些细菌携带完整的固氮基因簇（nifH、nifD、nifK 等）。ARA 检测表明，氮饥饿条件下 Pt15 共生培养物可产生乙烯，且 1?N?同位素标记实验证实 Bradyrhizobium 和 Methylobacterium 能直接固定氮气，生成含 1?N 的氨基酸。
2. NCDs 与微藻互作的结构与代谢基础
透射电镜观察发现，Pt 细胞与 NCDs 被胞外多糖（EPS）形成的膜状结构包裹，形成低氧微环境，可能保护固氮酶免受氧气抑制。功能基因注释显示，氮缺乏条件下，NCDs 中与氮代谢、应激响应（如 SpoT、PAS 结构域基因）及跨膜转运（如 EcfT、TauB）相关的基因显著富集，暗示其通过代谢协同与宿主互作。
3. NCDs 的全球分布与生态普遍性
对 14 种微藻的筛选显示，35% 的物种在氮缺乏条件下可依赖共生 NCDs 生长，分离出的 NCDs 涵盖 Thalassospira、Stenotrophomonas 等属，表明这种互作具有广泛生态分布。结合 Tara Oceans 数据，Pt 相关 NCDs 的近缘类群在全球表层海水和叶绿素最大值层（DCM）普遍存在，且与硅藻、定鞭藻等微真核生物显著共现，其分布与低硝酸盐、高氧环境相关，提示微藻 - 细菌互作可能是寡营养海域氮补充的重要途径。
研究结论与意义
本研究首次在模式硅藻中证实 NCDs 通过藻际互作支持微藻在贫氮环境中的生存，揭示了 Rhizobiales 目细菌在海洋固氮中的关键作用。研究发现，NCDs 并非通过侵入宿主细胞，而是通过藻际圈的物理 association（如 EPS 介导的聚集）形成功能单元，这种 “非内共生” 模式为理解真核 - 原核互作提供了新范式。此外，NCDs 基因组与陆地根瘤菌的相似性，为探讨固氮共生的进化起源提供了线索。
该研究不仅突破了 “蓝藻主导海洋固氮” 的传统理论，还建立了 Pt-NCDs 模型系统，为深入解析固氮互作的分子机制（如氮代谢物传递、低氧微环境构建）奠定了基础。未来研究可借助该模型，进一步探索 NCDs 在碳氮耦合循环中的作用，为完善海洋生物地球化学模型提供关键参数。这些发现也警示我们，在气候变化导致海洋氮匮乏加剧的背景下，微藻 - NCDs 互作网络可能对生态系统稳定性具有不可忽视的调控作用。
