海洋微真核生物沉降与细胞裂解动态的胞外rRNA解析揭示中深层水体为裂解热点

本研究通过建立死亡率核糖体测序（MoRS）新方法，首次实现海洋微真核生物胞外rRNA的高效捕获（回收率83%），揭示中深层水体（300-500m）是细胞裂解热点区域，86%裂解物种源自表层沉降，为理解生物碳泵（BCP）和营养循环提供全新分子视角。

　　

海洋微真核生物的沉降与裂解动态：胞外rRNA揭示的生态奥秘

ABSTRACT

海洋浮游生物群落的物种组成与生理状态深刻影响生态系统功能。通过死亡率核糖体测序（MoRS）技术对海水溶解组分进行定量分析，研究发现83%的胞外rRNA被成功回收。中深层水体（mesopelagic zone）的微真核生物裂解程度显著高于表层生态系统，其中86%的裂解物种原本栖息于透光层（epipelagic layer），揭示出"表层增殖-深层裂解"的普遍生态模式。

Graphical Abstract

通过胞外rRNA图谱评估发现，中深层（300-500m）存在显著的细胞裂解现象，主要涉及从表层沉降的微真核生物。该过程通过病毒裂解、捕食损耗等机制释放溶解有机质（DOM），影响海洋碳氮磷循环。

1 Introduction

微真核生物（protists）作为海洋生态系统的关键组分，其死亡率直接影响生物地球化学循环。传统研究聚焦硅藻等特定类群，而高通量测序（HTS）揭示了更复杂的真核浮游生物多样性。病毒裂解和捕食行为每日可消灭10%-40%的浮游种群，释放的DOM中RNA占溶解有机磷（DOP）的60%，其半衰期仅数小时至数天。MoRS技术通过分析胞外核糖体RNA（cf-rRNA），为同步评估数百种微生物的裂解状态提供了新工具。

2 Material and Methods

在日本九州南部黑潮海域五个站点采集表层（10m）、叶绿素最大层（SCM,35-93m）和中深层（300/500m）水样。采用0.22μm聚碳酸酯膜分离细胞相关（ca-rRNA）与胞外rRNA（cf-rRNA），优化后的Wizard Enviro TNA试剂盒对40mL滤液实现83.1%的RNA回收率。通过ddPCR定量18S rRNA，并利用E572F/E1009R引物进行V4区扩增测序。差异丰度分析采用edgeR软件，定义|log₂FC|>2且FDR<0.1为显著差异。

3 Results

3.1 方法学验证

核糖体吸附实验显示聚碳酸酯膜（PC）和聚偏二氟乙烯膜（PVDF）对rRNA无显著吸附，而混合纤维素酯膜（MCE）导致80%损失。数字PCR证实提取方法在10²-10⁶ copies/mL范围内呈线性响应。

3.2 生态分布特征

表层ca-rRNA浓度（3.83×10⁷ copies/mL）远高于中深层（2.77×10⁵ copies/mL），但cf-rRNA/ca-rRNA比值在中深层升高10倍（0.08 vs 0.006）。聚类分析显示样品按深度而非地理位置分组，Prymnesiophyceae（定鞭藻）和Dinophyceae（甲藻）为优势类群。

3.3 裂解深度特异性

中深层检测到更多显著裂解ASVs（171 vs 94），包括定鞭藻、甲藻等光养生物。Ciliophora（纤毛虫）在两类深度均显示高裂解活性，而放射虫（Radiolaria）等呈现双峰分布，暗示类群内存在栖息深度分化。

3.4 裂解来源解析

86%的中深层裂解ASVs源自表层偏好物种（EEI>2），其cf-rRNA贡献率达58.6%。降解实验显示表层条件（22°C光照）下rRNA半衰期（5.72h）短于深层条件（10°C黑暗，8.66h），细菌丰度加速降解。

4 Discussion

4.1 方法学突破

直接硅膜柱捕获技术克服了传统超速离心耗时难题，实现大体积海水中cf-rRNA的高效回收，为研究微生物死亡率提供新范式。

4.2 中深层裂解热点

密度跃层（100-300m）阻碍颗粒物沉降，导致上层输入有机物在中深层富集裂解。病毒"穿梭机制"和桡足类捕食可能是主要驱动力，实验证实低温低菌量环境延缓rRNA降解。

4.3 碳循环启示

表层光养生物通过快速沉降（100-400m/天）向中深层输送有机碳，其裂解产生的DOM可能形成长期碳封存。该发现对理解寡营养海域（如黑潮区）高碳输出效率机制具有重要意义。

局限性

需进一步验证细胞内核糖体含量稳定性，并区分病毒裂解、寄生和机械损伤的贡献比例。未来可结合转录组和显微技术深化机制研究。

生态意义

全球变暖可能通过改变混合层深度或病毒活性影响这一"表层增殖-深层裂解"通路，进而调控海洋碳库存。本研究建立的cf-rRNA分析框架为监测相关变化提供了分子工具。