深海化能自养遗传潜力超越硝化微生物：东北太平洋DIC固定途径与MAGs代谢多样性

《mSystems》：Substantial genetic potential for deep-sea chemoautotrophy extends beyond nitrifiers

　　

摘要：微生物化能自养具有维持深海生态系统、促进全球碳封存并改善当前不平衡海洋碳收支的潜力。然而，对其机制的认识仍在逐步深入，尤其是对硝化作用以外生物的认识。在此，研究人员对来自东北太平洋的28个宏基因组开展基于基因和基因组解析的联合分析，以研究海洋化能自养菌的流行、分布以及系统发育和代谢多样性。研究发现，编码自养溶解无机碳（DIC）固定标记基因的生物在样本中丰度高且分布广泛，在150至4,000 m水深中占微生物群落的11%–26%。Calvin循环（CBB）和3-羟基丙酸双循环（3HP bi-cycles）的标记基因比3-羟基丙酸/4-羟基丁酸循环（3HP/4HB）和还原三羧酸循环（rTCA）的标记基因更普遍，后两者由进行硝化作用的生物编码。研究人员构建并鉴定了128个推定化能自养宏基因组组装基因组（MAGs），跨越13个门，包括Proteobacteria、Actinobacteria、SAR324和Thermoproteota。这些MAGs含有一氧化碳（77.3%）、硫（69.5%）、氨（5.5%）和/或甲烷（3.1%）氧化基因，提示多样分解代谢支持深海DIC固定，并提示好氧一氧化碳氧化具有尚未被充分认识的潜在作用。50%的MAGs编码多种无机分解代谢途径，99%的MAGs包含有机物转运基因，分别提示分解代谢灵活性和对体外产生有机物的利用。研究人员构建了研究位点潜在化能自养菌的包容性清单和图谱，扩展了其已知系统发育广度、代谢库及影响碳循环的潜力。重要性：海洋碳循环在调节生态系统生产力和全球气候中发挥核心作用。化能自养，即微生物将无机碳（如CO₂或HCO₃^?）转化为细胞生物量，是一个研究不足的过程，具有显著改变海洋碳收支模型的潜力。虽然一些海洋化能自养菌已知，但近期证据表明现有清单不完整。本研究发现，具有化能自养遗传潜力的微生物在系统发育和代谢上比此前认识更具多样性。特别是CO氧化相关基因的普遍存在提示其在支持深海化能自养中可能具有尚未认识的作用。通过识别潜在微生物介导者和耦合能源，结果可帮助未来预测深海化能自养何时、何地及如何发生，以及其在碳循环中的潜在作用。

研究背景：深海化能自养可通过氧化还原无机化合物固定溶解无机碳（DIC），为深部生态系统提供有机碳、参与生物碳泵和全球碳封存，并可能解释海洋碳收支中已知有机碳汇超过光合输出供给的问题。历史上，Thermoproteota中Numerically abundant的Nitrososphaeria等硝化微生物被视为深水柱最重要化能自养菌，通过3-羟基丙酸/4-羟基丁酸（3HP/4HB）循环耦合氨氧化；但北大西洋氨氧化支持的最大DIC固定估算不足以平衡碳收支，东热带太平洋中层抑制剂实验显示氨氧化菌仅固定总暗DIC固定的一小部分。除Nitrospinae、SAR324、PS1等外，深海化能自养菌清单仍不完整，缺乏对潜在系统发育谱系、能源和分布控制因素的整体认识。因此，研究人员在同一东北太平洋断面开展基于基因和基因组解析的联合分析，以扩展对深海化能自养系统发育和代谢广度及其碳循环影响的认识。

方法概括：样本来自2017年3月R/V Oceanus cruise OC1703A东北太平洋断面5个50–4,000 m垂直剖面，共28个宏基因组（44.3–59 Gbp/样本）。研究采用基于基因与基因组解析的联合策略：MEGAHIT组装、Prodigal基因预测、Kofamscan注释，以inStrain计算覆盖度并以recA、secY、rpsC、pheS四个单拷贝基因归一化；metaBAT2分箱、dRep去冗余、CheckM质控、GTDB-Tk分类并经Anvi’o人工精炼；筛选同时含DIC固定与无机分解代谢标记基因的宏基因组组装基因组（MAGs），并分析ATP结合盒（ABC）转运蛋白。

研究结果：
自养DIC固定途径的流行与分布（Prevalence and distribution of pathways for autotrophic DIC fixation）：基于基因分析，每个样本中11%–57%（平均21.1%）的微生物编码至少一个六条途径标记基因；在≥150 m暗水样平均19.8%。CBB、3HP bi-cycle、3HP/4HB或DC/4HB在100%样本中检出，rTCA为67%，WL为14%。CBB标记基因相对丰度为5.1%–50.5%，3HP bi-cycle为3.0%–7.4%，3HP/4HB或DC/4HB为0.7%–6.2%，rTCA为0.0%–0.5%，WL为0.0%–0.6%。除OC6_4000m外CBB最丰富；OC6_4000m处3HP bi-cycle达总自养相对丰度41.5%（总群落6.2%）。CBB在OC5、OC6、OC4的50 m样本中峰高，可能由蓝细菌增加所致；排除50 m后CBB为5.1%–16.4%。中层（500和1,000 m）总标记基因相对丰度显著高于深层（2,000、3,000和4,000 m）（校正P=0.0048），由CBB驱动（校正P=0.0013）；其他途径无显著差异。与环境参数无显著相关；CBB与OC6荧光显著相关（R=0.97，校正P=0.0018）；暗样本中rTCA与NO₃^?在OC6和OC5呈负相关（R=?0.97、?0.98，校正P=0.017、0.015），但总相对丰度无相关。

编码自养DIC固定基因MAGs的系统发育多样性与相对丰度（Phylogenetic diversity and relative abundance of MAGs encoding genes for autotrophic DIC fixation）：研究人员生成742个非冗余种水平MAGs（完整度>50%，污染<5%），代表各宏基因组reads的11.2%–55.4%。其中212个含至少一个DIC固定关键基因，128个同时含至少一个无机化学分解代谢标记基因，定义为推定化能自养MAGs。128个MAGs跨2域（Archaea 6，Bacteria 122）和13门，包括Proteobacteria 68、Actinobacteriota 24、SAR324 6、Thermoproteota 4等。基因组上下文推断Thermoproteota编码3HP/4HB，Halobacteriota和Myxococcota编码DC/4HB。相对丰度显示类群特异性深度趋势：Actinobacteriota在500 m峰（0.9%–10.01%），SAR324在≥150 m稳定为2.3%–5.0%，Alphaproteobacteria在50 m峰后降再升，Gammaproteobacteria由Thioglobaceae主导（50 m以下0.5%–4.1%），Nitrosopumilaceae在500 m峰（最大4.4%），部分Gemmatimonadota和Hydrogenedentota在深层峰。

推定化能自养MAGs中的分解代谢途径（Catabolic pathways within putatively chemoautotrophic MAGs）：128个推定化能自养MAGs中，77.3%（99/128）含好氧CO氧化（coxMSL）潜力，5.5%（7/128）含氨氧化（hao/amo），69.5%（89/128）含多种硫氧化途径（aprA/sat、sox基因簇、fccB/sqr或dsrAB），3.1%（4/128）含甲烷氧化（mmo）。亚硫酸盐氧化仅在19个同时含aprA和sat的MAGs中推断；未检测亚硝酸盐或氢气氧化。50.7%的MAGs编码多个分解代谢途径，CO与硫氧化组合最常见（45.2%）。含甲烷单加氧酶的MAGs总伴有至少一种其他分解代谢；3个MAGs（2.3%）同时含CO氧化、氮氧化和硫氧化，均属Alphaproteobacteria UBA7887。相对丰度上，coxSML MAGs占群落3.9%–13.5%，硫氧化MAGs占1.6%–15.7%；CO氧化分布随深度和离岸较一致且在中层最高，硫氧化在500 m下降、1,000 m再升，氨氧化为0.5%–4.5%且500 m附近最高。

推定化能自养MAG集合中ATP结合盒转运蛋白基因的流行（Prevalence of genes encoding ATP-binding cassette transporters in the putatively chemoautotrophic MAG set）：127/128的MAGs编码至少一个有机物相关ABC转运蛋白，支链氨基酸转运最普遍（122/128）；单糖和寡糖ABC转运蛋白见于40/128，尤其在Proteobacteria、Hydrogenedentota、SAR324、JAAXHH01和UBA8248中；仅1个Actinobacteriota MAG（65.7%完整）无ABC转运蛋白。此外，120/128的MAGs编码甘氨酸裂解系统。

讨论部分总结：研究采用互补的基因和基因组方法，基因法提供包容性概览，基因组法提供分类身份与支持性分解代谢的基因组背景；两法均不要求途径完整，以避免基因组不完整和发散化能自养菌基因误注释造成的假阴性，但可能增加假阳性。128个推定化能自养MAGs系统发育多样，包含已知化能自养Thermoproteota（3HP/4HB）、SAR324（CBB和/或3HP bi-cycle）和Gammaproteobacterial PSI（CBB）。CBB途径在垂直水柱中主导，与硝化生物（3HP/4HP或rTCA）为最丰富深海化能自养菌的观点相反，但与近期中层硝化者仅贡献少部分无机碳固定的结果一致。CBB标记基因在中层显著高于深层；该区存在氧最小带，许多CBB MAGs也含还原硫氧化基因，低氧可能通过耦合底物需求解释其分布，但未发现与环境参数的显著相关。研究还提示3HP bi-cycle和DC/4HB途径的系统发育分布扩展：Hydrogenedentota含3HP bi-cycle，SAR324多个MAGs含3HP bi-cycle，细菌Myxococcota含DC/4HB标记K15016。硝化者相对丰度较低：氨氧化MAGs为0.5%–4.5%，Nitrosopumilaceae contigs最大1.9%，低于ALOHA氨氧化古菌（AOA）可达39%和本站16S约20% Thermoproteota/Crenarchaeota；宏基因组可能低估AOA。未检测高质量亚硝酸盐氧化细菌（NOB）MAGs，未分箱NOB contigs占自养群落0.13%，但NOB酶效率高、细胞大可低丰度影响地球化学。硫氧化与DIC固定广泛共现，78/128同时含硫氧化和3HP bi-cycle。CO氧化方面，coxMSL广泛分布，99/128（>75%）含该基因簇，其中34.3%未检出其他无机分解代谢途径，提示CO氧化可能是唯一能源；CO氧化产能约248.7 kJ/mol CO，与好氧氢氧化相近，但水体CO浓度尚不清楚。有机物转运广泛，提示利用外部有机物及潜在营养缺陷和/或兼性化能自养；氨基酸ABC转运蛋白近普遍，单糖/寡糖转运蛋白见于约三分之一MAGs，甘氨酸裂解系统近普遍。50.7%的MAGs具多个无机分解代谢途径，提示深海化能自养菌分解代谢灵活性常见。研究结论翻译：通过两项包容性宏基因组分析，研究人员揭示了一个系统发育范围广泛、能够利用多种化学能源进行化能自养的微生物群落。现在需要针对这些类群开展活性测定和分离尝试，以进一步探究其代谢生活方式及其对全球碳循环的潜在贡献。