马来西亚Dusun Tua温泉高温丝状生物膜中微生物多样性与代谢功能的基因组解析

本研究针对高温丝状生物膜群落(SBCs)中Aquificota主导模式的生态局限性，通过多组学技术揭示了马来西亚Dusun Tua碳酸盐型温泉(75°C, pH 7.6)中Aquificota(35%)与Chloroflexota(27%)等六大门类共存的独特群落结构。研究团队利用Illumina-Nanopore混合测序获得61个中高质量宏基因组组装基因组(MAGs)，发现生物膜形成初期由硫氧化与CO2固定驱动，后期逐步整合异养类群，EPS和curli纤维等基质组分增强环境抗性。该研究突破了传统SBCs以Aquificota为单一优势菌的认知框架，为极端环境微生物互作提供了新见解。

　　

在 Yellowstone 等地的硫磺温泉中，那些如丝带般飘动的粉白色生物膜长久以来被认为是 Aquificota 门微生物的"独角戏"——这个嗜热菌门常占据群落 90% 以上的绝对优势。然而当研究人员将目光投向马来西亚 Dusun Tua 的碳酸盐温泉时，却发现了颠覆性的景象：这里的灰褐色丝状生物膜中，Aquificota 仅占 35%，而本该在低温光合生物膜中出现的 Chloroflexota 竟异军突起占据 27%，与 Desulfobacterota 等六大门类形成了罕见的"多强并存"格局。这种异常分布背后，隐藏着怎样未被揭示的生态机制？

马来西亚工艺大学（Universiti Teknologi Malaysia）的研究团队通过整合 16S rRNA 扩增子测序和 Illumina-Nanopore 混合宏基因组测序，解码了这个热带碳酸盐温泉系统中的微生物密码。他们在《Scientific Reports》发表的研究中，不仅重建了 61 个中高质量 MAGs，更揭示了生物膜形成的动态过程：初期由 Aquificota 主导的化能自养（硫氧化与 rTCA 循环固碳）奠定基础，后期 Chloroflexota 通过上游生物膜扩散加入，最终形成由胞外多糖(EPS)、curli 纤维等多糖-蛋白复合基质支撑的稳定结构。这种"分阶段装配"模式，完全不同于传统硫磺温泉中单一菌门主导的简单群落。

研究采用了三项关键技术：① 16S rRNA V3-V4/V4 区扩增子测序解析群落结构；② Illumina短读长与 Nanopore 长读长混合组装获得 126,999 条 contigs；③ 通过 MetaBAT2、CONCOCT 和 MaxBin2 联合分箱构建 61 个质量 >50% 的 MAGs。样本来自 Dusun Tua 温泉 75°C 主河道中附着于植物碎屑的灰褐色生物膜，并设置无生物膜水样对照。

微生物群落结构特征
扩增子数据显示 DT 生物膜呈现"1+5"格局：Aquificota(35%)与 Chloroflexota(27%)形成双核心，Desulfobacterota(10%)、Bacteroidota、Deinococcota 和 Candidatus Hydrothermae 作为主要配角。值得注意的是，原本适应上游 45°C 光合生物膜的 Chloroflexota 通过水力扩散成功定植高温区，其基因组显示兼具有机碳利用与 Fe(II)氧化能力的混合营养特征。

代谢网络重建
通过 METABOLIC-G 分析 MAGs 发现：

• 能量获取：Aquificota 的 Hydrogenobacter MAG 拥有完整氮循环基因(nifH 等)，可进行 NO 还原、硝化/反硝化等多途径代谢
• 碳固定：检测到 rTCA 循环关键酶（如 ATP-柠檬酸裂解酶），但 Calvin 循环基因缺失
• 硫转化：Desulfobacterota 的 Thermodesulfobacteriaceae 同时编码硫氧化(sox)与硫酸盐还原(dsr)基因

生物膜基质组成
基因组挖掘揭示了跨门类的协作建网策略：

Aquificota 依赖 Pel 系统合成多糖，而 Chloroflexota 通过寡糖翻转酶构建基质骨架。最令人意外的是，尽管生物膜附着于植物碎屑，407 个预测的 CAZymes 中仅 35% 来自优势菌门，且无跨膜锚定酶，暗示酶保留依赖于成熟生物膜的"陷阱效应"。

生态演替模型
研究提出三阶段适应理论：

1. 洪水减缓水流速度，植物碎屑提供初始附着面
2. Aquificota 通过硫氧化建立初级群落
3. 基质积累后，异养菌利用微生物残体与截留的溶解有机碳(DOC)形成稳定共生

这项研究改写了高温丝状生物膜的生态教科书：碳酸盐温泉中，微生物通过"代谢接力"（硫氧化启动→混合营养过渡→异养整合）实现群落构建，而 Chloroflexota 在非光合高温环境的成功定植，展现了远超预期的生态位可塑性。发现的 83 个胞外 CAZymes 为工业酶开发提供了新资源，而 EPS-curli 复合基质的揭示，则为人工合成抗逆生物膜提供了仿生蓝图。正如通讯作者 Kian Mau Goh 强调："这不仅是关于谁在高温中生存的故事，更是关于它们如何共同重建家园的史诗。"