长读长宏基因组揭示北海南部沉积物与水柱中Woeseiaceae家族的代谢生态位分化

本研究通过PacBio长读长测序技术，对德国黑尔戈兰岛附近海域沉积物及上覆水柱微生物群落进行比较宏基因组分析，揭示了Woeseiaceae家族在沉积物和悬浮颗粒中的代谢生态位分化。研究发现沉积物Woeseiaceae携带多糖利用位点(PULs)降解藻源多糖，而水柱种群则富含硫酸酯酶和肽酶基因，表明其对不同有机质类型的降解专一性。该研究为理解海洋碳循环中底栖-浮游耦合机制提供了基因组学证据。

　　

海洋沉积物中的微生物群落展现出惊人的时间稳定性，这与受底物驱动的浮游细菌群落动态形成鲜明对比。然而，由于底栖微生物组的复杂性，人们对它们在碳循环中的作用以及这两个微生物群落之间的相互作用了解有限。德国马克斯·普朗克海洋微生物研究所的Tomeu Viver、Katrin Knittel、Rudolf Amann和Luis H.Orellana团队在《Environmental Microbiome》发表的研究，通过创新的长读长(LRs)宏基因组方法，揭示了北海南部黑尔戈兰岛附近海域沉积物与上覆水柱微生物群落的代谢差异。

研究团队在2018-2019年间采集了五个时间点的表层沉积物(0-2 cm深度)及同期上覆水柱样品。采用PacBio Sequel IIe平台进行HiFi测序，生成274Gb长读长数据。通过Flye进行单样本和共组装，使用MaxBin和MetaBAT进行分箱，获得115个沉积物和270个水柱的宏基因组组装基因组(MAGs)。利用GTDB-tk进行系统发育分类，并通过dbCAN、SulfAtlas等工具进行功能注释。

研究结果显示：

1. 微生物多样性分析
   基于16S rRNA基因的OTU分析显示，沉积物和水柱样本仅共享9个OTU。在基因组水平，仅2个MAGs(Desulfocapsaceae和Acidimicrobiia)在沉积物和水柱中共享。沉积物中Woeseiaceae是最丰富的类群之一(7.6±0.9%)，包含50个OTUs和14个MAGs。

1. 代谢潜能比较
   沉积物Woeseiaceae MAGs编码多种PULs，预测可靶向昆布多糖(14个)、藻酸盐(9个)和α-葡聚糖(8个)。而水柱Woeseiaceae MAGs仅存在于颗粒附着相，缺乏PULs但编码更多硫酸酯酶和肽酶基因。沉积物种群还含有异化铁还原相关基因(mtrABC)，暗示其对沉积物氧化还原条件的适应。

1. 系统发育与生态分布
   系统发育分析显示UBA1847、JAACFE01等属特异存在于沉积物，而UBA1847 clade II和SZUA-117属主要分布于水柱。沉积物MAGs平均基因组大小(3.1±0.8 Mbp)显著大于水柱MAGs(1.7±0.7 Mbp)。

2. 铁代谢特征
   所有Woeseiaceae MAGs均编码铁获取相关基因，但异化铁还原途径(mtrCAB)仅存在于沉积物种群。沉积物MAGs还编码完整的Entner-Doudoroff途径和cbb₃
   型细胞色素氧化酶，适应低氧环境。

研究结论指出，长读长测序是分析高多样性底栖微生物组的宝贵工具。沉积物和水柱MAGs的小重叠表明有限的底栖-浮游耦合。Woeseiaceae表现出栖息地特异的代谢专门化：沉积物种群利用藻华衍生的新鲜有机物(如昆布多糖)并进行异化硝酸盐/亚硝酸盐/铁还原获取能量；而水柱颗粒附着种群可能专门降解富含蛋白质和硫酸化的有机物。这些发现为理解海洋微生物在碳循环中的生态位分化提供了新见解。

该研究的创新性在于首次通过长读长宏基因组揭示了Woeseiaceae家族在海洋不同生境中的代谢适应策略，为理解微生物介导的海洋有机质转化提供了基因组学基础。研究强调了对环境微生物进行高质量基因组重建的重要性，以及比较基因组学在解析微生物生态功能中的价值。