SAR116类群培养支持的生态生理学研究揭示代谢与空间生态位分化

本研究通过高通量稀释培养技术分离了5株新型SAR116菌株，结合349个基因组（包括MAGs、SAGs和分离株）的泛基因组分析，首次系统揭示了海洋Puniceispirillales目细菌的代谢多样性及其环境适应机制。研究确定了3个主要分支和15个亚群的分类框架，发现不同亚群在硫代谢（SOX通路、DMSP裂解）、渗透压调节（相容溶质合成）和微量金属转运等方面存在显著分化，并通过生理实验证实了分离株在盐度（11.6-34.7 ppt）和温度（12.5-35°C）适应性的表型差异。该研究为理解全球海洋表层优势菌群SAR116的生态功能提供了重要理论基础。

　　

在广袤的海洋表层水域中，SAR116类群作为α-变形菌纲中的优势菌群，其相对丰度最高可达浮游细菌群落的20%。尽管早在1991年就从马尾藻海发现了这类微生物，但长期以来对其功能多样性的认知主要局限在三个培养菌株（HTCC8037、HIMB100和IMCC1322）的有限研究。这些"海洋隐形冠军"被观察到与浮游植物水华密切相关，在哥伦比亚河河口等半咸水环境中表现出异常活跃的代谢状态，甚至能通过dddP基因介导的二甲基磺基丙酸酯（DMSP）裂解产生二甲基硫醚（DMS）。然而，关于SAR116不同谱系间是否存在代谢分工、如何适应不同海洋环境等核心问题，始终缺乏系统性的解答。

南加州大学的研究团队通过创新性的高通量稀释培养技术，从墨西哥湾北部水域成功分离出5株具有代表性的SAR116新菌株（LSUCC0226、0396、0684、0719和0744）。结合全球海洋基因组数据库中的258个宏基因组组装基因组（MAGs）、84个单细胞扩增基因组（SAGs）以及已有分离株基因组，构建了包含349个基因组的泛基因组数据集。这项发表于《The ISME Journal》的研究首次全面揭示了SAR116类群的系统发育框架、代谢网络特征和环境适应机制。

研究采用Illumina和Oxford Nanopore混合测序完成基因组组装，通过CheckM评估基因组质量。使用Anvi'o进行泛基因组分析，结合KEGG Decoder解析代谢通路。通过扫描电镜（SEM）观察细胞形态，采用流式细胞术测定分离株在不同盐度（11.6-34.7 ppt）和温度（12.5-35°C）条件下的生长曲线。利用RRAP流程对1049个海洋宏基因组进行读段比对，分析各亚群的空间分布特征。

系统发育框架重建
基于380个基因组（含31个外群）的保守蛋白标记基因分析，将SAR116类群划分为3个主要分支（I、II、III）和15个亚群。其中新分离株LSUCC0719、0744和0684分别属于Ia.I、Ia.IV和Ic亚群。基因组特征分析显示，SAR116类群具有惊人的多样性：基因组大小1.76-3.95 Mbp（平均2.25 Mbp），GC含量29-63%，编码密度81-95.7%。值得注意的是，亚群Ia.III是唯一不编码变形菌视紫红质（proteorhodopsin）的谱系。

宿主关联特征
16S rRNA基因系统发育揭示珊瑚/海绵共生SAR116主要聚集在Ic亚群，仅两例属于II分支。分离株LSUCC0684（Ic）和来自百慕大时间序列站（BATS）的SAG AG-917-F20证实这些共生菌仍保留浮游生活阶段。电镜观察发现LSUCC0684存在显著的形态多型性，可在螺旋菌（1.85-11.32 μm）和球状细胞（0.72-1.25 μm）间转换，这种可塑性可能与其在宿主体内的钙化过程相关。

代谢网络分化
关键发现包括：1）亚群Ia.V具有最丰富的金属转运系统（如sitABCD锰/锌/铁转运体）；2）钴胺素（cobalamin）合成能力在亚群间分布不均，部分谱系依赖外源获取；3）亚群IIa.I和Ib.III存在甲硫氨酸合成缺陷；4）首次在SAR116中发现dmdD基因，完善了DMSP去甲基化途径（dmdABCD/acuH）；5）仅亚群Ia.IV和Ib.IV具有完整的硫代硫酸盐氧化（SOX）系统（soxXAYZCDB），而亚群II和III仅保留soxCDBYZ，提示其可能专化于元素硫氧化。

环境适应机制
宏基因组招募分析显示：1）亚群III在开阔大洋占优势（占SAR116总丰度的60%）；2）亚群Ia.IV和Ia.III在海岸带和河口区富集；3）温度是重要分选因子，亚群Ia.I（30°C最适）与高温正相关，而Ia.IV（23°C最适）偏好低温环境。渗透压适应基因分析表明，海岸带适应的亚群I编码更多离子转运体（如单价阳离子/H⁺
逆向转运体），而大洋适应的亚群II主要依赖相容溶质（如山梨醇）的从头合成。

生理学验证
对三株代表菌株的表型分析显示：1）所有菌株在11.6-34.7 ppt盐度范围内均能生长，最适盐度均为23.2 ppt；2）LSUCC0684（Ic）具有最宽温度范围（22-35°C），其35°C的最适温度与海绵宿主体温相符；3）细胞形态呈现杆状（LSUCC0719）、弧状（LSUCC0744）和螺旋状（LSUCC0684）的多样性，但表面体积比保持恒定（约3.5 μm^-1
），暗示其对营养吸收效率的保守选择。

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