厌氧短鞭毛虫原生动物的存活依赖于微生物组代谢功能：氢共享机制揭示新型互作关系

本研究针对厌氧环境中原生动物与细菌的代谢互作机制，通过多组学技术揭示了五种短鞭毛虫(Breviate)微生态系统中氢转移驱动的氮硫循环新机制。研究人员发现Arcobacteraceae、Desulfovibrionaceae和Terasakiella等菌群通过DNRA(异化硝酸盐还原成铵)、DSR(异化硫酸盐还原)等途径影响宿主生长，为理解真核-原核跨界共生提供了重要案例。该成果发表于《The ISME Journal》，为缺氧生态系统功能预测提供了理论框架。

　　

在海洋沉积物等缺氧环境中，单细胞真核生物如何与微生物组协同生存是微生物生态学的核心问题。短鞭毛虫(Breviate)这类神秘的厌氧原生动物，其线粒体已退化为产氢的细胞器相关细胞器(MRO)，但始终无法获得纯培养，暗示其生存可能依赖与细菌的代谢互作。此前仅发现Lenisia limosa与Arcobacter sp. EP1存在氢转移互作，这种互作模式是否具有普适性？不同电子受体如何影响共生系统的稳定性？这些问题的解答对理解缺氧生态系统功能至关重要。

瑞典隆德大学(Department of Biology, Lund University)和乌普萨拉大学(Department of Cell and Molecular Biology, Uppsala University)的Karla Iveth Aguilera-Campos和Julie Boisard领衔的研究团队，通过对五种短鞭毛虫微生态系统(PCE、FB10N2、LRM1b、LRM2N6和Pygsuia biforma)的多组学分析，揭示了氢转移驱动的代谢网络决定宿主生存的新机制。研究发现不同电子受体条件下，宿主生长表现取决于其微生物组的代谢能力而非细菌分类地位，并鉴定出Arcobacteraceae、Desulfovibrionaceae和Terasakiella三个新的潜在互作菌群。该成果发表于《The ISME Journal》，为真核-原核跨界共生提供了范式转移的案例。

研究团队运用了四项关键技术：1) 基于FlowCAM的显微图像分类系统定量监测原生动物生长动态；2) 16S rRNA扩增子测序分析不同氧/电子受体条件下的菌群结构变化；3) 长读长与短读长混合组装策略获取高质量宏基因组组装基因组(MAGs)；4) 特异性荧光原位杂交(FISH)技术定位共生菌的空间分布。样本来源于加拿大爱德华王子岛、美国圣胡安岛和西班牙拉皮塔海岸的潮间带沉积物。

【短鞭毛虫系统发育与生态分布】

通过18S rRNA基因分析发现，实验室培养的五种短鞭毛虫可分为三个进化支系，与从全球68个低氧环境(包括深海沉积物、潮间带等)获取的78条环境序列交织分布。系统发育树显示Pygsuia biforma与LRM1b聚为一支，PCE与LRM2N6形成独立分支，证实研究对象具有广泛的生态代表性。

【电子受体调控菌群结构与宿主生长】

通过ANCOM差异分析发现，硝酸盐补充使Arcobacteraceae相对丰度显著提升(如LRM2N6中的Halarcobacter增加3.8倍)，而硫酸盐则促进Desulfovibrionaceae增殖。生长实验显示Pygsuia biforma在含硫酸盐培养基中生长最佳(第3天达峰值)，而LRM1b在硝酸盐条件下生物量最高(第5天峰值)，表明宿主适应性与其菌群的电子受体利用能力直接相关。

【互作菌群的代谢重建】

从九个Arcobacteraceae、六个Desulfovibrionaceae和一个Terasakiella的高质量基因组中发现：1) Arcobacteraceae普遍具有氢摄取[NiFe]-氢化酶和DNRA途径，其中Arcobacter denitrificans LRM1还拥有完整反硝化通路(nirS-norBC-nosZ)；2) Desulfovibrionaceae均编码DSR途径关键基因(dsrABCDMKJOP)；3) Terasakiella halodenitrificans具有独特的氢化酶-细胞色素bc₁复合物偶联系统。这些代谢特征解释了不同电子受体条件下的选择压力。

【共生关系的可视化证据】

FISH技术显示：1) Arcobacteraceae在Pygsuia biforma表面附着率达78.3%；2) Desulfobacterota探针在硫酸盐条件下与FB10N2细胞100%共定位；3) Terasakiella特异性探针在硝酸盐处理的LRM1b中阳性率达57%，显著高于对照组(10%)。这种条件依赖性的空间分布模式支持代谢互作的动态性。

研究结论部分提出了三点重要发现：首先，短鞭毛虫通过分泌甲酸、乳酸、琥珀酸等有机酸创造生态位，其产氢的MRO需要Arcobacteraceae等菌群维持低氢分压，这种代谢互补性超越了具体的分类单元。其次，氮硫循环的耦合机制具有环境适应性——硫酸盐还原菌(如Maridesulfovibrio)通过DSR途径在硫循环中起核心作用，而Terasakiella则通过napAB-nirS-norBC通路驱动氮循环。最后，与专性共生系统不同，这些互作关系未表现出基因组缩减或共进化特征，暗示其可能是环境选择形成的兼性共生。

该研究的突破性在于揭示了厌氧原生动物生存的"代谢决定论"：宿主不是依赖特定分类的细菌，而是需要具备氢摄取、DNRA或DSR等核心代谢功能的微生物伙伴。这一发现不仅解释了短鞭毛虫在自然界的广泛分布，也为设计合成微生物群落提供了理论依据。未来研究需揭示这些互作是否涉及特异的细胞表面识别机制，以及其在全球缺氧环境生物地球化学循环中的实际贡献。