一项关于一氧化碳脱氢酶的基因组调查揭示其在海洋生境中的广泛分布

《Environmental Microbiology Reports》：Genomic Survey of Carbon Monoxide Dehydrogenases Reveals Their Widespread Distribution in Marine Habitats

　　

海洋中产生的大多数一氧化碳（CO）会被编码一氧化碳脱氢酶（CODHs）的微生物所消耗，从而显著降低海洋向大气释放CO的通量。根据活性位点金属组成，CODH可分为两类：对氧敏感、含镍的Ni-CODH，以及耐氧、含钼–铜的Mo-CODH。尽管既往研究已在特定海洋环境中报道过CODH，但其在整个海洋生态系统中的综合分布仍不清楚。研究人员在美国国家生物技术信息中心（NCBI）非冗余蛋白数据库中进行了分析，从多样化海洋生态系统的海洋原核生物中鉴定出1969个Ni-CODH基因和864个Mo-CODH基因。基于3类海洋生物群系的宏基因组分析显示，氧可利用性选择性限制Ni-CODH基因丰度，但不限制Mo-CODH。因此，Ni-CODH局限于低氧生态位，而Mo-CODH同时存在于富氧和低氧受限的海洋环境中。系统发育分析表明，既往描述的所有CODH分支在海洋生态圈中均有代表，凸显其进化多样性。基因组上下文分析提示，约50%的海洋Ni-CODH可能通过Wood–Ljungdahl途径（WL，Wood–Ljungdahl pathway）参与碳固定，而大多数海洋Mo-CODH可能主要促进补充性能量保存。总体而言，这些结果为海洋生态系统中CODH的分布及潜在功能提供了整合性认识。

该研究发表于《Environmental Microbiology Reports》，围绕海洋一氧化碳（CO）微生物转化这一重要生物地球化学过程，系统分析了两类一氧化碳脱氢酶（CODH）的分布格局、系统发育多样性及潜在功能。海洋是CO的天然来源，表层透光带中有色溶解有机物（CDOM，chromophoric dissolved organic matter）的光化学降解是其主要来源，此外，水柱中的微生物代谢、色素酶促分解以及溶解有机物的非生物热转化或氧化转化，也能在无光条件下持续生成CO。虽然CO在海水中的溶解度有限，但海洋中原位产生的CO只有少部分释放到大气，绝大多数会被微生物迅速消耗，因此微生物氧化构成海洋CO最主要的汇。正因如此，明确海洋中CO氧化微生物及其关键代谢酶的分布与功能，对于理解海洋—大气间CO通量调控具有重要意义。

当前研究虽已证明海洋微生物广泛参与CO消耗，但关于两类CODH在全球海洋不同生态系统中的联合分布、生态分化和功能分工仍缺乏统一评估。Ni-CODH为对O₂敏感的含镍酶，Mo-CODH为耐O₂的含钼–铜酶，两者在结构、电子传递方式和生理作用上存在明显差异。前者除催化CO氧化外，部分还可将CO₂还原为CO，并参与Wood–Ljungdahl途径中的乙酰辅酶A（acetyl-CoA）合成；后者则主要催化CO氧化，并将电子输送至呼吸链以支持补充性能量获取。由于既往研究多聚焦于某一类CODH或局限于个别海洋环境，海洋尺度上的综合认知仍不完整，因此有必要开展跨生境、跨类群的系统性调查。

研究人员以蛋白序列挖掘为基础，从NCBI非冗余数据库中系统检索Ni-CODH和Mo-CODH序列，并结合BioSample与文献信息筛选海洋来源基因组及宏基因组组装基因组（MAGs，metagenome-assembled genomes）。随后，研究人员对3类海洋生态位的短读长宏基因组数据进行比对定量，以评估氧梯度对两类CODH丰度的影响；采用最大似然法构建系统发育树，分析海洋CODH的谱系组成；并通过基因组上下文分析，判定Ni-CODH相邻功能基因及Mo-CODH相关操纵子结构，从而推断其潜在代谢角色。研究样本涉及Saanich Inlet季节性缺氧水柱、南海冷泉水柱与沉积物、旧金山近海300 km断面水柱，以及多类公开海洋来源基因组和MAGs。

研究人员首先构建海洋CODH数据集。通过严格的活性位点保守性筛选，研究排除了缺失关键催化残基的候选序列，并仅保留具有典型活性位点基序的I型Mo-CODH。最终获得1969条海洋Ni-CODH序列和864条海洋Mo-CODH序列，分别来源于分离培养基因组和MAGs。该结果表明，海洋中同时广泛存在两类CO代谢酶，为后续生态分布和功能分析奠定了数据基础。

在“Ecological Distribution of CODH-Coding Marine Organisms”部分，研究人员将海洋来源序列划分到热液口、近岸、水柱、沉积物、宿主相关环境、油田和盐田等7类生物群系。结果显示，两类CODH在海洋环境中普遍存在，但生态偏好不同。Ni-CODH在近岸沉积物、热液口、油田、深部低氧水团及还原性沉积层中更为常见，Mo-CODH则广布于近岸水体、表层至中层海水、氧暴露沉积物以及多种宿主相关环境。该部分说明，海洋潜在CO利用微生物具有广泛生境分布，而Ni-CODH与低氧还原生态位联系更紧密，Mo-CODH则适应范围更广。

在“Effect of Oxygen Availability on the Distribution of Ni- and Mo-CODHs in Marine Habitats”部分，研究人员利用3组宏基因组数据，定量分析氧梯度下Mo-CODH/Ni-CODH基因丰度比。Saanich Inlet中，该比值随深度增加和溶解氧下降而显著降低，主要源于Ni-CODH丰度升高；南海冷泉上覆水柱变化较缓，但在沉积物—水界面和深层沉积物中Ni-CODH明显增加，比值下降；旧金山外海断面中，随着低氧带出现，Ni-CODH增幅也高于Mo-CODH。该部分得出核心结论：氧可利用性是塑造两类CODH平衡的重要环境因子，Ni-CODH在富氧环境中受到负向选择，而Mo-CODH并不因低氧而系统性消失。

在“Phylogenetic and Structural Diversity of Marine Ni-CODHs”部分，研究人员基于1969条海洋Ni-CODH序列构建系统发育树，发现海洋中涵盖既往定义的全部主要分支，且以A、E、F支为主。CdhA型Ni-CODH全部聚类于A支，而B–G支均为CooS型，提示二者间存在深层结构分化。进一步对B簇和D簇铁硫中心配位模式进行比较后发现，不同D簇类型在不同谱系中的分布存在规律，提示其电子传递特征可能与早期进化分化相关。与此同时，将生境信息映射至系统树后未发现明显生境特异聚类，说明海洋Ni-CODH的系统发育分化总体独立于具体栖息环境。

在“Function Prediction of Ni-CODHs Based on Their Genomic Context Analysis”部分，研究人员依据Ni-CODH邻近基因将其划分为15类功能上下文。A支Ni-CODH多与乙酰辅酶A合成酶复合体相关基因相邻，提示其普遍参与Wood–Ljungdahl途径。E支和F支表现出更高功能多样性，除与Wood–Ljungdahl途径相关外，还与一碳库代谢、FAD–NAD(P)氧化还原酶（FNOR，FAD-NAD(P) oxidoreductase）、电子转移蛋白CooF、能量转换型[NiFe]氢化酶（ECH，energy-converting [NiFe] hydrogenase）等相关。B支和D支多为独立存在或毗邻功能未明基因，C支则常与FNOR、CooF或F₄₂₀还原氢化酶相关。该部分表明，海洋Ni-CODH可能参与碳固定、能量保存、氧化还原平衡及活性氧（ROS，reactive oxygen species）应对等多种过程，且约半数与Wood–Ljungdahl途径存在潜在联系。

在“Phylogenetic Analysis of Mo-CODHs of Marine Source”部分，研究人员利用864条I型CoxL序列构建系统发育树，识别出6个高支持度分支，其中部分分支与门水平分类较一致，如Pseudomonadota、SAR324、Actinomycetota和Halobacteriota分别主导不同分支，但另一些分支则呈现多门混合，说明Mo-CODH演化也具有复杂性。多数海洋Mo-CODH保留完整coxMSL操纵子，且93%的基因组中可检测到coxG同源基因，其中66%位于邻近区域，27%位于基因组远端。由于CoxG被认为介导电子向醌池（quinone pool）和呼吸链传递，这一结果支持海洋Mo-CODH主要服务于补充性能量获取，而非自养碳固定。

讨论部分综合指出，两类CODH在海洋53个微生物门中广泛分布，证实CO氧化潜力深度嵌入海洋微生物多样性之中。近岸环境中两类CODH均高度富集，可能与较高CO生成水平及活跃微生物氧化作用有关。氧梯度分析进一步表明，Ni-CODH主要受富氧条件抑制，因此局限于低氧和还原性生态位；Mo-CODH则横跨富氧与低氧环境，表现出更强生态弹性。Ni-CODH在功能上高度多样，其中相当部分与Wood–Ljungdahl途径相关，提示其在厌氧碳固定和乙酰辅酶A代谢中的重要作用；Mo-CODH则主要通过CoxG相关电子传递体系支持低水平能量补给。研究的意义在于首次在海洋尺度整合两类CODH的分布、进化与潜在功能，阐明了海洋CO向CO₂持续转化的微生物基础，并为理解海洋—大气CO通量受控机制提供了基因组学证据。

研究结论可概括为：编码CODH的微生物广泛存在于多样化海洋生态系统中。对氧敏感的Ni-CODH在富氧环境中代表性较低，而Mo-CODH同时存在于富氧和低氧受限生态位，表明二者沿海洋氧化还原梯度在CO氧化过程中发挥互补作用。这种分布格局可能支持海洋中持续的CO向CO₂周转，并限制海洋向大气的CO释放通量。未来若结合宏基因组学（metagenomics）、宏转录组学（metatranscriptomics）、宏蛋白质组学（metaproteomics）及直接CO氧化速率测定，将更有助于解析氧、金属及有机碳可利用性等环境因素如何共同塑造这些酶的生态分布与表达。