马里亚纳海沟微生物组中D-氨基酸代谢多效性：深海极端环境的共同适应策略

这篇研究揭示了马里亚纳海沟微生物通过D-氨基酸（D-AAs）代谢实现深海极端环境适应的分子机制。通过构建定制数据库（KO-25和Seq-151），结合78个宏基因组分析，发现93.6%的微生物基因组含D-AA功能基因，尤其是谷氨酸消旋酶（GLUR）在氨氧化古菌（AOA）中的广泛分布，挑战了其仅存于细菌的传统认知。研究证实D-AA代谢与中心碳循环和氨氧化基因协同，且随水深增加代谢潜力增强，为理解深海难降解有机物（RDOM）周转提供了新范式。

　　

深海极端环境中的D-氨基酸代谢网络

ABSTRACT
马里亚纳海沟作为地球最深的海洋环境，其微生物群落通过D-氨基酸（D-AAs）代谢驱动难降解溶解有机物（RDOM）周转。研究通过定制数据库（KO-25和Seq-151）从78个宏基因组中鉴定出D-AA合成与降解基因，发现93.6%的细菌和古菌基因组至少含一个D-AA功能基因，显著扩展了潜在D-AA利用者的认知范围。值得注意的是，传统认为仅存于细菌的谷氨酸消旋酶（GLUR）在氨氧化古菌（AOA）中普遍存在，表明D-谷氨酸可能通过这一关键类群整合到海沟碳氮循环中。

D-AA代谢的功能基因图谱
研究构建了包含25个KEGG直系同源基因（KO-25）和151个实验验证蛋白（Seq-151）的数据库，系统注释了D-AA代谢通路。宏基因组分析显示，42个D-AA相关KO被聚类为23个功能簇，其中16个在超过半数样本中共享。例如，丙氨酸消旋酶（alr）和GLUR作为肽聚糖合成的关键酶，在所有生境中丰度最高（TPM 128-312）。通过补充注释，丝氨酸消旋酶（SERR）的丰度提升至与天冬氨酸消旋酶（racD）相当，揭示了传统KO注释的局限性。

生境特异性代谢模式
非度量多维标度（NMDS）分析显示，海水与沉积物中D-AA功能基因组成显著分化（ANOSIM R=0.77）。核心代谢簇呈现生境偏好：海水中D-AA转氨酶（DAT）和广谱氨基酸消旋酶（racX）富集，而沉积物中D-半胱氨酸脱硫酶（DCYD）和D-谷氨酸不可逆消旋酶（dgcN）更活跃。共现网络分析发现，GLUR与氨单加氧酶（amoA）、L-谷氨酸脱氢酶（gudB）在沉积物中形成功能模块，暗示D-谷氨酸可能通过古菌参与氮循环。

微生物类群的代谢分工
从3,259个中高质量宏基因组组装基因组（MAGs）中鉴定出81个细菌和古菌类群携带D-AA功能基因。其中，变形菌门（α/γ-变形菌）和放线菌主导D-AA降解基因（如D-氨基酸脱氢酶DADH和D-氨基酸氧化酶DAO），而硝化螺旋菌门和绿弯菌门（Dehalococcoidia）则富集DCYD和D-苏氨酸醛缩酶（DTA）。引人注目的是，31%的硝化球菌纲（Nitrososphaeria）MAGs含有细菌来源的GLUR，其结构预测（与炭疽芽孢杆菌GLUR的TM-score=0.83）证实了功能性保守位点的存在。

深度驱动的代谢适应
Spearman相关性分析显示，GLUR、racX和DAO在深海海水中的丰度随水深显著增加（P<0.05）。绝对定量表明，>9,600米海水中alr和GLUR的基因拷贝数达5.69×10⁴-7.14×10⁴ copies/mL，较表层水体提升1.27-1.58倍。沉积物轴心区域因有机质输入动态性，其表面样本中DAO和DTA的丰度显著高于斜坡区域（P<0.01），绿弯菌门在此过程中发挥关键作用。

生态与进化启示
研究挑战了D-AAs恒定难降解的传统观点，提出其周转具有环境依赖性。深海微生物通过D-AA代谢实现三重适应：1）满足肽聚糖合成需求；2）响应高压低温胁迫（如D-AA衍生的H₂S可对抗氧化应激）；3）利用RDOM作为碳氮源。AOA中GLUR的水平基因转移事件，为理解深海碳氮耦合提供了新视角。

方法论创新
通过整合实验验证序列与KO注释，研究将D-Ser代谢基因检出率提升90.6%。基于recA标准化的绝对定量模型，首次实现了D-AA代谢基因的跨生境比较，为深海生物地球化学循环研究建立了新方法学框架。