《Algal Research》：Polyphasic characterization and biotechnological potential of three novel
Prochlorococcaceae (Cyanobacteria) genera: An integrative taxonomic approach combining 16S rRNA gene, genomic and chemotaxonomic analyses
编辑推荐：
蓝细菌分类学及生物活性物质研究。通过多相系统发育分析，确定葡萄牙分离的四株蓝细菌中三株形成独立系统发育支系，需新属描述，另一株无法归类。其色素、酚类及糖类等生物活性物质丰富，具食品、饲料及医药开发潜力。
弗拉维奥·奥利维拉（Flavio Oliveira）|吉列尔梅·斯科塔·亨奇克（Guilherme Scotta Hentschke）|格拉西莉亚娜·洛佩斯（Graciliana Lopes）|艾莫妮·杜阿尔特（Aimone Duarte）|特蕾莎·德罗萨（Teresa De Rosa）|鲁本·卢兹（Ruben Luz）|亚历山大·坎波斯（Alexandre Campos）|维托尔·M·瓦斯科内洛斯（Vitor M. Vasconcelos）
CIIMAR/CIMAR LA – 波尔图大学海洋与环境研究跨学科中心，莱松斯游轮码头（Terminal de Cruzeiros de Leix?es），诺顿·德马托斯将军大道（Av. General Norton de Matos），邮编4450-208，马托辛霍斯（Matosinhos），葡萄牙
摘要 从葡萄牙北部分离出的菌株LEGE 06306、LEGE 06307、LEGE 11436和LEGE 10375采用了多相分类方法进行了特征分析，包括16S rRNA基因的系统发育分析（ML和BI）、16S 23S ITS二级结构分析、p距离计算、系统基因组学研究、形态学和超微结构（TEM）观察、MALDI-TOF质谱分析以及生态和生化特性研究。尽管LEGE 06306、LEGE 06307和LEGE 11436在16S rRNA基因序列上具有高度相似性，并且形态也非常相似，但三种ML和BI系统发育分析表明这些菌株属于Prochlorococcaceae科中的三个不同谱系，且不属于任何已描述的属。系统基因组学分析、ITS比较和生化统计比较进一步支持了这些谱系的分离。MALDI-TOF分析显示每种菌株具有独特的光谱特征，而它们的色素组成相似但浓度不同，这也证实了它们之间的区别。基于这些综合结果，这三种菌株被归类为三个新的蓝细菌属的代表。菌株LEGE 10375在16S rRNA和全基因组系统发育树中的位置不确定，因此无法进行分类。所研究菌株中含有高含量的生物活性代谢物，包括色素、酚类化合物和糖类，使其成为食品、饲料和制药行业潜在的功能性成分的可持续来源。
引言 蓝细菌是一类能够进行光合作用的革兰氏阴性细菌，具有出色的生态适应性，能够栖息在水生、陆地和极端环境中[1]。这种显著的生态成功与其多功能的生理和代谢系统密切相关，这种系统不仅确保了它们在广泛环境条件下的生存，还产生了多种专门的代谢产物[2]。这种代谢多样性直接决定了它们的生态角色，并为生物技术应用提供了宝贵机会[3]。特别是，蓝细菌的代谢产物具有多种有益特性，如抗氧化作用[4]。具有抗氧化特性的分子有助于抵御活性物质对细胞的损害，从而预防衰老和相关的心血管疾病[5]。因此，通过可持续过程寻找天然抗氧化剂已成为科学研究的重点领域[6]。
在这一领域，人们特别关注藻胆蛋白（PBPs），尤其是藻蓝蛋白（PC）、藻红蛋白（PE）和异藻蓝蛋白（APC），它们是蓝细菌藻胆体光捕获复合体的主要成分[7]。这些色素不仅增强了在低光照环境中的光吸收能力，还表现出显著的抗氧化、抗炎和抗癌特性[8]、[9]、[10]。例如，PBPs是蓝细菌中特有的水溶性分子[11]，定期摄入与缺血事件后心肌细胞死亡减少和自由基生成减少有关[5]。
此外，蓝细菌产生的其他光合色素也具有重要的生态功能和生物技术应用。例如，叶绿素和类胡萝卜素不仅在光捕获和光保护方面发挥作用，还因其多样的生物活性特性而受到关注。叶绿素a是主要的光合色素，对于捕获光能和维持光合作用至关重要，对水生初级生产力有重大贡献[12]。此外，来自海洋蓝细菌的叶绿素衍生物在斑马鱼幼体模型中显示出降低脂质的作用[13]。类胡萝卜素（如β-胡萝卜素和玉米黄质）既作为光捕获复合体的辅助色素，也作为光保护剂，保护细胞免受氧化应激和不良环境条件的影响[14]、[15]。β-胡萝卜素及其异构体因其维生素A前体活性和强大的抗氧化特性而特别值得关注[16]。此外，蓝细菌还是生物活性多糖[17]和酚类化合物[18]的丰富生产者，这些物质有助于它们的生态韧性，并具有药理学和营养保健应用的潜力[4]。
尽管蓝细菌具有这些公认的生态、药理和经济重要性，但其全部多样性仍大部分未被探索，许多分类单元直到最近才被描述[20]。在这些新发现的蓝细菌分类单元中，许多新属和新种在形态上难以区分，主要通过16S rRNA基因的系统发育分析来鉴定[20]。截至2022年7月，使用分子数据描述的607种蓝细菌物种中有一半是形态上难以区分的[20]。这种隐秘状态在海洋微浮游蓝细菌中尤为明显，尤其是在Prochlorococcaceae科中。该科目前包括Prochlorococcus Chisholm等人、Parasynechococcus Coutinho等人、Cyanobium Rippka & Cohen-Bazire等人、Anathece Komárek等人以及Ciimarium Hentschke等人所属的属。从形态上看，它们是单细胞、浮游的光合原核生物，细胞呈球形或椭圆形，具有1-4个排列在细胞壁上的类囊体[21]。除了形态上的相似性外，Prochlorococcaceae属的16S rRNA基因一致性高达98%[22]、[23]。
传统上，Prochlorococcaceae属的区分依赖于16S rRNA基因；然而，由于它们之间的遗传相似性很高，研究人员正在寻求额外的证据来采用多相分类方法，以更加强有力地支持它们的分类。在这方面，目前的色素组成分析为Prochlorococcaceae的分类提供了有价值的补充标准[23]。这些色素特征反映了它们对特定光照环境的生态适应性和系统发育差异，提供了支持或细化基于分子的分类的生化标记[24]、[25]、[26]。例如，Prochlorococcus属的特点是主要的光合色素为二乙烯基叶绿素a和b[22]、[23]。相比之下，Ciimarium型菌株以β-胡萝卜素和玉米黄素为主要色素，而Cyanobium属则以α-胡萝卜素和玉米黄素为特征。将色素数据与系统发育分析相结合，提高了蓝细菌分类的准确性，并有助于识别新的、之前被忽视的属[23]。
系统基因组学分析结果与这些数据一致，证实Prochlorococcus和Parasynechococcus是不同的属，尽管它们的16S rRNA基因一致性达到98%[23]。此外，Prochlorococcus表现出极高的基因组多样性，系统基因组学研究表明该属内部存在显著的遗传差异。最近的提议建议未来可能需要对这一属进行分类修订，将其划分为多个不同的属和物种[23]、[28]。
这些发现表明，Prochlorococcaceae中形态上难以区分的属的数量远高于目前的认知[28]。这一点也从GenBank（NCBI）中大量被错误鉴定为“Cyanobium”和“Synechococcus”的序列中得到证实[29]。这些菌株在16S rRNA基因系统发育树中形成了独特的单系群，与任何已描述的蓝细菌属都存在系统发育距离，因此需要未来的分类修订和正式命名[29]。
Prochlorococcaceae微浮游菌株的多样性是葡萄牙海洋与环境研究跨学科中心（CIIMAR/CIMAR LA）的蓝色生物技术和生态毒理学培养 kolec tion（LEGE-CC）的重要组成部分[29]。在该科中，Ciimarium属最近通过多相方法进行了描述，包括16S rRNA基因系统发育分析和色素分析。对LEGE-CC生物多样性的持续研究还发现了另外25个菌株，它们主要分为Prochlorococcaceae科中的三个不同谱系。本文的目的是将这些谱系描述为三个新的蓝细菌属，并描述它们的色素、叶绿素、总糖和酚类化合物特征，为它们的分类提供进一步支持，并探索其生物技术潜力。
部分摘录 蓝细菌生物量生产 四个蓝细菌菌株（LEGE 06306、LEGE 06307、LEGE 10375和LEGE 11436）是从葡萄牙的淡水和海洋环境中分离出来的，由LEGE-CC提供。这些菌株的采样地点和日期、栖息地、形态特征以及本文系统发育树中包含的其他LEGE菌株的信息可在
https://lege.ciimar.up.pt/ （2025年1月10日访问）获取。LEGE 06306和LEGE 06307已被分离出来
系统发育和分类 第一轮系统发育分析（图S1）显示，Prochlorococcaceae科（包括Cyanobium、Anathece、Ciimarium、Parasynechococcus和Prochlorococcus属）与仅由Synechococcus N?geli属代表的Synechococcaceae科明显不同。在系统发育树中分析的25个LEGE菌株主要分布在Prochlorococcaceae科的四个不同谱系中
讨论 我们的多相分析结合了系统发育研究、16S rRNA基因身份、16S 23S ITS区域、系统基因组学研究、形态学分析、超微结构研究、栖息地特征和色素组成比较，与先前的研究结果一致，表明Prochlorococcaceae属在遗传和形态上高度相似[22]、[23]、[58]。基于这些结果，人们可能会倾向于将所有Prochlorococcaceae物种合并为一个属，因为它们形成了一个
结论 本研究通过采用稳健的多相方法描述了三个新的Prochlorococcaceae属，扩展了对该科已知多样性的认识。我们的结果表明，环境起源并不是该科属级分类的决定性因素，因为海洋和淡水代表菌株在同一系统发育群中被发现。虽然没有一种色素是某个属所独有的，但定量色素分析结合形态学和分子证据表明
CRediT作者贡献声明 弗拉维奥·奥利维拉（Flavio Oliveira）： 撰写初稿、方法学设计、实验研究、数据分析、概念化。吉列尔梅·斯科塔·亨奇克（Guilherme Scotta Hentschke）： 撰写初稿、监督工作、方法学设计、实验研究、数据分析、概念化。格拉西莉亚娜·洛佩斯（Graciliana Lopes）： 撰写初稿、方法学设计、实验研究、数据分析、概念化。艾莫妮·杜阿尔特（Aimone Duarte）： 撰写初稿、资源获取。特蕾莎·德罗萨（Teresa De Rosa）： 撰写初稿、资源获取。鲁本·卢兹（Ruben Luz）：
写作过程中使用生成式AI和AI辅助技术的声明 在准备本稿时，作者使用了ChatGPT/OpenAI工具来修正部分文本的英文。使用该工具/服务后，作者根据需要审查和编辑了内容，并对出版物的内容负全责。
资助 葡萄牙科学技术基金会（FCT）项目UIDB/04423/2020和UIDP/04423/2020。WP9-葡萄牙蓝色生物银行属于蓝色经济计划（Project N°. C644915664-00000026），由恢复与韧性计划 （PRR）、葡萄牙共和国和欧盟共同资助；以及由欧盟 资助的MALDIBANK项目（编号：101188201）。弗拉维奥·奥利维拉感谢通过FCT （葡萄牙科学技术基金会）提供的奖学金 利益冲突声明 作者声明与本出版物无关的任何利益冲突。
致谢 作者感谢波尔图大学i3S的HEMS核心设施提供的电子显微镜技术支持，以及索菲亚·帕切科（Sofia Pacheco）和鲁伊·费尔南德斯（Rui Fernandes）的帮助。MALDI-TOF质谱分析由米尼奥大学（University of Minho）的塞莉亚·玛丽亚·贡萨尔维斯·索亚雷斯（Célia Maria Gon?alves Soares）完成。
