海岸带好氧不产氧光养细菌的谱系特异性光能利用策略与生态位分化研究

《Ocean Microbiology》：Lineage-specific phototrophy and lifestyle of coastal marine aerobic anoxygenic phototrophs

本研究针对海洋好氧不产氧光养细菌（AAP）在碳循环中的生态功能不明确问题，通过分析亚得里亚海沿岸水体中游离与颗粒附着AAP群落的pufM基因/转录本差异，揭示其光养基因表达具有谱系特异性和生活方式依赖性。结果表明颗粒附着AAP的光异养活性显著高于游离群体，且DNA与RNA文库的群落结构差异凸显了基于转录组分析对评估AAP实际生态贡献的重要性。

　　

在广袤的海洋中，微生物如同看不见的引擎，驱动着全球碳循环的关键进程。其中，好氧不产氧光养细菌（Aerobic Anoxygenic Phototrophs, AAP）是一类独特的微生物，它们既能通过异养方式利用有机物，又能借助细菌叶绿素a（BChla）捕获光能补充能量，这种"双栖"代谢策略使其在海洋碳循环中扮演着特殊角色。然而，长期以来研究者对AAP群落的认知多局限于其数量分布和物种组成，对于其光能利用能力是否真正活跃、不同生活方式（游离生活vs.颗粒附着）如何影响其生态功能等关键问题仍知之甚少。

传统研究依赖pufM基因（编码厌氧型II型反应中心M亚基）的DNA测序来解析AAP群落结构，但基因的存在是否意味着实际的光合作用活性？亚得里亚海沿岸水体中的AAP是否会像淡水环境中那样出现基因与功能表达的脱节？这些疑问成为本研究开展的起点。研究团队假设：海洋AAP群落中具有光养活性的群体与实际存在的群体存在差异，且颗粒附着与游离生活方式会显著影响其光养基因的表达模式。

为验证这一假设，研究团队在2023年冬季（2月）、春季（5月）和夏季（7月）从亚得里亚海中部卡什泰尔湾（43°31'06.0"N 16°22'54.0"E）采集水样，通过分级过滤分离游离细菌（FL，<1.2μm）和包含颗粒附着细菌的总细菌群落（PA+FL），综合运用流式细胞计数、显微镜分析、细菌叶绿素a浓度测定，以及pufM基因的DNA/RNA扩增子测序技术，从丰度、活性和群落结构多维度解析AAP的季节动态和生态功能。

关键技术方法

研究通过150μm筛网预过滤去除大型浮游生物后，分别用1.2μm滤膜分离游离细菌（FL）和0.45μm滤膜收集总细菌（含颗粒附着菌，PA+FL）。采用改良的Griffiths法提取总核酸，经DNA酶消化后验证无DNA残留，反转录生成cDNA。使用UniF-UniR引物扩增pufM基因，通过Illumina MiSeq平台进行双端250bp测序。序列经DADA2处理生成ASV，通过系统发育定位法进行物种注释。环境参数包括叶绿素a、细菌丰度、生物量等均通过标准化方法测定。

季节性丰度与光养活性变化

AAP细菌丰度从冬季的1.27×10⁴cells mL^-1升至夏季的8.30×10⁴cells mL^-1，占总细菌比例最高达13.8%。BChla浓度在春夏较高，且颗粒附着群落的数值在冬春季显著高于游离群落。线性模型显示AAP丰度与BChla浓度显著正相关（p=0.002），表明每个AAP细胞携带的光合单位数量相对稳定，计算得出平均每个细胞含1.64×10³-1.12×10⁴个反应中心。

群落组成的季节更替

主成分分析显示AAP群落结构具有明显季节分异。冬季总群落以发光杆菌属（Luminiphilus）为主，而活跃群落多样性更高；春季发光杆菌属在DNA/RNA文库中均占主导；夏季则转为沙单胞菌目（Arenicellales）和红杆菌目HIMB11属。属水平成对比较发现，冬-春过渡期红杆菌目属间发生演替，伯克霍尔德菌目减少，假单胞菌目（主要为发光杆菌属）增加；春-夏季沙单胞菌目UBA668显著上升，发光杆菌属比例下降。

生活方式驱动生态位分化

颗粒附着与游离AAP的群落结构和光养活性呈现显著分化。冬季发光杆菌属在游离群落中更活跃，而根瘤菌目、Limnohabitans、Rhodoferax等伯克霍尔德菌目成员在颗粒附着时表达更强光养基因。春季游离群落富集发光杆菌属，颗粒附着群落中红杆菌目CACIJG01属比例更高。夏季游离群落中沙单胞菌目UBA868光养基因过度表达，而颗粒附着群落中红杆菌目HIMB11活性显著增强。

基因存在与功能表达脱节

DNA文库显著高估了发光杆菌属的光养贡献，而低估了根瘤菌目等群体的实际活性。夏季差异最为显著：沙单胞菌目UBA868在游离群落的RNA文库中过度表达，红杆菌目HIMB11在颗粒附着的DNA文库中被低估，表明基因存在与功能表达存在严重不一致。

结论与展望

本研究首次系统揭示了海洋AAP细菌的光养活性存在显著的谱系特异性和生活方式依赖性。颗粒附着群落尤其在冬春季表现出更强的光异养活性，且RNA测序显示传统DNA文库会严重扭曲对实际活性群落的评估。发现典型淡水AAP类群（如根瘤菌目）在沿岸水体中具有光养活性，证实了海湾生态系统的过渡性特征。这些发现强调必须结合转录组学手段，才能准确评估AAP细菌对海洋碳循环的实际贡献。未来需通过昼夜高频转录组解析光养基因的日周期调控规律，进一步揭示AAP细菌在微生物网络和碳循环中的精准作用机制。