《ISME Communications》：Unique Phylogenies and Metabolic Adaptations of Novel Lineage III and Comammox Nitrospira species from deep-sea sediments
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本研究针对深海环境中Nitrospira谱系多样性认知不足的问题，通过宏基因组组装基因组技术，首次从深海沉积物中挖掘出属于谱系III和完全氨氧化菌的新类群，揭示了其独特的系统发育地位、跨洋分布规律及适应寡营养高盐环境的代谢潜能，为深海氮循环微生物资源挖掘提供了重要理论依据。
氮是海洋生态系统中关键的生物限制性营养元素，其循环过程直接影响海洋初级生产力。硝化作用作为连接还原态氮和氧化态氮的关键环节，由氨氧化菌和亚硝酸盐氧化菌协同完成。2015年，科学家在Nitrospira菌属中发现了具有完全氨氧化能力的菌株，颠覆了传统认知。然而，目前对海洋环境尤其是深海中Nitrospira多样性的了解仍十分有限，以往研究认为谱系IV硝化螺菌在海洋中占主导地位，其他谱系的存在和功能尚不明确。
为填补这一知识空白，华东师范大学河口海岸学国家重点实验室联合中国科学院深海科学与工程研究所的研究团队，对西太平洋海山区域的深海沉积物进行宏基因组测序，通过MEGAHIT和MetaBAT2等工具组装获得5个高质量Nitrospira宏基因组组装基因组，其中DS64和DS176分别代表首次在深海发现的谱系III和完全氨氧化Nitrospira。研究人员构建了包含304个基因组的大规模数据库，采用GTDB-Tk和IQ-TREE进行系统发育分析，通过BWA-MEM和CoverM进行全球海洋样本的读段比对，并利用OrthoFinder开展比较基因组学研究。
基因组特征与系统发育定位
研究获得的五个MAGs在基因组大小、GC含量和编码基因数量上呈现显著差异。系统发育分析显示DS64与红树林来源的谱系III菌株聚为一支，其GC含量显著高于其他谱系成员；DS176则与海绵来源的N. sp. odPetCras1具有高度基因组相似性。通过nxrB和amoA等标志基因的系统发育分析，证实这两个深海来源的类群分别形成独立的进化分支，被命名为“谱系III分支B”和“完全氨氧化分支A4”。
基因簇结构与进化关系
对DS176的AMO和HAO基因簇分析发现，其amoCAB和haoAB-cycAB操纵子排列方向与陆地来源菌株存在明显差异。深海菌株仅携带单拷贝amoD基因，且转座酶基因邻近amoD位点，提示基因复制事件可能发生在其他完全氨氧化菌中。这种基因簇结构的差异反映了海洋环境特有的进化压力。
全球分布规律
通过487个海洋宏基因组样本的读段招募分析发现，谱系III和完全氨氧化Nitrospira在深海沉积物和热液喷口环境中具有显著更高的相对丰度。DS64在深海沉积物中的RPKM值达到8.6×10-2，而DS176为1.1×10-2，均显著高于上层水体。nxrB和amoA基因的系统发育分析进一步证实海洋来源的序列形成独立分支，与沿海湿地来源的序列存在至少7%的核苷酸差异。
代谢适应机制
比较基因组分析揭示了深海Nitrospira独特的适应策略。DS176和N. sp. odPetCras1含有amtB型铵转运蛋白而非Rh50型，更适合寡营养环境；同时携带多亚基Na+/H+逆向转运蛋白和甜菜碱转运系统，增强高盐适应能力。ugpABCE甘油-3-磷酸转运系统的存在表明其具有在磷限制环境中生存的能力。这些菌株还保留完整的rTCA循环固碳途径，但缺乏利用氢气、甲酸盐等替代电子供体的基因。
本研究通过宏基因组学手段首次证实了谱系III和完全氨氧化Nitrospira在深海环境中的存在，揭示了其独特的系统发育地位和全球分布模式。这些微生物通过特殊的代谢适应机制在寡营养、高盐度的深海环境中占据特定生态位。研究不仅拓展了对海洋氮循环微生物多样性的认知，还为理解Nitrospira不同谱系的进化历史提供了新视角。该成果发表于《ISME Communications》，为后续通过富集培养或单细胞基因组学手段验证这些微生物的生理功能奠定了基础，对深入解析深海氮循环过程具有重要意义。
