无色硫细菌Thioploca sp.及其来自贝加尔湖的微生物群落的基因组分析

《Journal of Great Lakes Research》：Genomic analysis of the colorless sulfur bacterium Thioploca sp. and its microbial communities from Lake Baikal

　　斯韦特兰娜·M·切尔尼茨yna | 谢尔盖·V·布金 | 塔玛拉·I·泽姆斯卡亚
俄罗斯科学院西伯利亚分院湖泊学研究所，乌兰巴托尔斯卡亚3号，伊尔库茨克664033，俄罗斯

**摘要**
通过基因组分析研究了无色硫氧化细菌Thioploca sp.及其相关微生物群落的代谢潜力及系统发育关系，这些微生物来自贝加尔湖塞伦加浅水区的富含有机物沉积物。该贝加尔湖代表菌株与日本奥科坦佩湖的Thioploca ingrica具有最高的平均核苷酸同一性（95.2% ANI），并表现出相似的代谢可塑性，拥有参与碳、氮和硫循环的多种基因。尽管观察到了形态学差异（如毛状体大小和液泡的存在），以及数字DNA:DNA杂交（dDDH）值低于物种阈值（< 70%），但该贝加尔湖代表菌株仍可归类为全球分布的T. ingrica物种，这种物种常见于淡水和半咸水环境。对16S rRNA基因序列的分析显示，与T. ingrica丝状体相关的微生物群落包含六个古菌门和42个细菌门。重建了40个完整性超过50%的宏基因组（MAGs），它们归属于Desulfobacterota、Chloroflexota、Verrucomicrobiota、Bacteroidota、Myxococcota和Pseudomonadota门。这些MAGs与已知基因组的ANI值< 87.4%，表明它们代表未描述的分类单元。一个高质量MAG（完整性96.6%，污染率0.8%）被归类为Beggiatoaceae科，其ANI和dDDH值均低于物种划分的阈值，表明它代表一个新的分类单元。这种细菌具有灵活多样的基因组特征，能够适应沉积物-水界面的多变条件。在大多数MAGs中发现了编码通过卡尔文循环固定碳、完整的三羧酸循环（TCA）以及硫和氮循环关键酶的基因。

**引言**
多细胞无色硫细菌（CSB）属Thioploca是原核生物中的巨型菌类。它们肉眼可见，在富含有机物和特定离子的海洋和淡水生态系统中形成大规模菌垫（Kojima等人，2003年；Namsaraev等人，1994年；Teske和Nelson，2006年）。这些细菌存在于中欧、希腊、美国伊利湖、休伦湖和安大略湖（Dermott和Legner，2002年）、俄罗斯贝加尔湖（Namsaraev等人，1994年）、德国康斯坦茨湖（Lauterborn，1907年）、日本琵琶湖和奥科坦佩湖（Kojima等人，2003年；Nishino等人，1998年）、丹麦峡湾（H?gslund等人，2010年）、南太平洋、智利中部以及加利福尼亚海岸的北太平洋（McHatton等人，1996年；Schulz等人，1999年；Maier，1989年）的沉积物中。CSB是指示生态系统缺氧和硫化条件的指示菌（Wasmund等人，2017年）。它们以硫化氢为能源进行氧化，并利用氧气或在某些情况下使用硝酸盐作为电子受体，从而耦合地下沉积物中的氮和硫循环（Hüttel等人，1996年；J?rgensen和Gallardo，1999年；Teske和Nelson，2006年）。由于细胞内积累了硝酸盐，Thioploca sp.在垂直迁移过程中可以通过硝酸盐呼吸在各种沉积层中生存（Fossing等人，1995年）。该属的海洋菌株可以是微需氧的（Maier和Gallardo，1984年）、厌氧的（J?rgensen和Gallardo，1999年）或好氧的（H?gslund等人，2009年）。由于淡水菌株在形态上与其海洋同类相似但体积较小，因此推测它们具有相似的代谢策略。Thioploca属细菌形成长而多细胞的丝状体，称为毛状体，这些丝状体被共同的外壳包裹（Schulz等人，1996年；Maier，1989年）。在外壳内，各个丝状体可以独立移动。细菌细胞呈圆柱形并含有硫颗粒。由于这些细菌尚未被培养，因此该属的物种分类基于单个丝状体的直径（Teske和Nelson，2006年）。根据细胞中液泡的存在，该属可分为两个表型组：1）淡水或半咸水物种，其丝状体直径较细，几乎没有或仅有轻微的液泡化；2）大型自养海洋物种，具有较大的液泡（Teske和Nelson，2006年）。在琵琶湖和康斯坦茨湖的淡水T. ingrica菌株中未发现液泡；然而，在贝加尔湖的菌株中观察到了液泡（Kojima等人，2003年；Zemskaya等人，2009年）。基于近乎完整的16S rRNA-ITS序列和区分海洋和淡水谱系的生理证据，Thioploca的分类学得到了修订：较小的淡水和半咸水菌株保留为Thioploca sensu stricto，而大型海洋菌株构成了Candidatus分类单元“Marithioploca”（Salman等人，2011年；Teske和Salman，2014年）。来自地理上偏远湖泊的淡水代表菌株在其16S rRNA基因序列中表现出高百分比的同一性（99.1%；Zemskaya等人，2009年）。同时，Thioploca sp.的23S rRNA基因和16S-23S内部转录间隔区（ITS）结构在不同湖泊中存在差异（Nemoto等人，2011年）。此外，16S rRNA基因序列完全相同的Thioploca sp.细胞表现出不同的形态（Salman等人，2011年）。在贫营养和淡水的贝加尔湖中，Thioploca属细菌栖息于不同生态位的沉积物中：北部盆地低温热液喷口区域（Kuznetsov等人，1991年）、矿物化气体流体排放点、天然石油渗漏区以及富含有机物的区域（Zemskaya等人，2009年）。根据大小差异，来自湖泊不同区域的细菌被分为两种形态类型。来自沿海样本的Thioploca sp.在其生物量中浓缩了比周围水柱高10倍的硝酸盐和硫酸盐。贝加尔湖Thioploca积累硝酸盐的能力以及其细胞氮的同位素组成比底栖动物更轻，表明其具有硝酸盐呼吸作用，并与其海洋同类具有代谢相似性（Zemskaya等人，2001年）。随后我们发现Thioploca外壳中寄居着多样化的微生物群落，这些微生物可以利用宿主产生的化合物或为其提供必需的营养物质（Chernitsyna等人，2016年）。Thioploca sp.在贝加尔湖超贫营养生态系统中的广泛分布——其中氮和硫化合物的浓度非常低，且水和中沉积物中的硫化氢无法通过标准分析方法检测到——表明这种细菌采用了多样的生存策略。由于16S rRNA基因测序的局限性和无法在实验室中培养Thioploca sp.，其可靠分类和代谢潜力仍难以研究。为了解决这个问题，我们进行了总DNA的基因组测序，随后进行了宏基因组组装（MAG）分析。根据Genome Taxonomy Database（GTDB；https://gtdb.ecogenomic.org/；2025年8月访问），该属有13个来自不同生态系统的基因组记录，但组装质量参差不齐。其中只有六个被注释，且只有一个——来自日本奥科坦佩湖的淡水物种T. ingrica的基因组被完全组装并描述（Kojima等人，2015年）。在T. ingrica的基因组中鉴定出了一整套参与呼吸硝酸盐还原、还原硫化合物氧化、乙酸同化以及卡尔文循环和三羧酸循环（TCA）的基因。基于通用单拷贝基因（USCG）序列和基因内容的系统发育树显示，淡水物种和海洋物种有明显的分离，将T. ingrica置于其海洋同类和Beggiatoa alba之间（Kojima等人，2015年）。这一结果与通过16S rRNA序列分析推断出的T. ingrica在Beggiatoaceae科中的系统发育位置一致（Salman等人，2011年）。

**研究目的**
1）从塞伦加地区的浅水沉积物宏基因组中重建Thioploca sp.及其相关微生物的基因组；
2）评估其与之前重建的日本奥科坦佩湖淡水T. ingrica基因组的相似性和差异。

**材料采样描述**
2022年7月，在塞伦加浅水区20米深度使用箱式抓斗采集了含有Thioploca的底泥样本（坐标52°17′18.86″N 106°12′54.02″E，电子补充材料（ESM）图S1）。使用无菌镊子从表层沉积物中心部分挑选含有Thioploca毛状体的外壳，以避免外源污染，用无菌水冲洗（图1A），然后立即在液氮中快速冷冻以提取DNA。

**贝加尔湖Thioploca sp.的细胞形态**
栖息在塞伦加浅水区的Thioploca sp.的大小与先前报道的不同（Zemskaya等人，2009年）。这些细菌具有直径为25–100 μm的常见多糖外壳。一个外壳中的毛状体数量比之前报道的更多，范围为3到50个（图1B）。单个丝状体的直径为2.0至5.13 μm，细胞长度为2.63–6.6 μm。共同外壳中的丝状体长度可达3–4 cm。

**讨论**
塞伦加浅水区包括世界上最大的淡水三角洲——塞伦加河三角洲，呈宽半圆形分布。该河流系统提供了湖泊年流入水量的一半和大约50%的总溶解物质（Goldyrev等人，1971年）。该区域的沉积物以高浓度的有机碳（3.5–4.5%）、生物元素水平升高（Mizandrontsev，1975年；Vykristyuk，1975年）以及未降解碎屑的积累为特征（Zemskaya等人，2009年）。

**结论**
硫和氮循环中的广泛遗传多样性和功能冗余性促进了T. ingrica在不同地理位置、深度和营养状态的湖泊中的广泛分布。这种栖息在贝加尔湖最大支流三角洲的细菌与其他淡水物种不同，因为它具有液泡，并表现出轻微的基因组差异。根据形态参数、16S rRNA基因序列和基因组数据，贝加尔湖种群属于CRediT

**作者贡献声明**
斯韦特兰娜·M·切尔尼茨yna：撰写——原始草稿、可视化、研究、形式分析、概念化。
谢尔盖·V·布金：撰写——审阅与编辑、软件使用、形式分析。
塔玛拉·I·泽姆斯卡亚：撰写——审阅与编辑、监督、项目管理、资金获取。

**利益冲突声明**
作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

**致谢**
本研究得到了俄罗斯联邦科学与高等教育部项目FWSR-2026-0011 No. 1025031800035-4-1（考察、显微镜技术）和俄罗斯科学基金会项目No. 22-14-00084（测序和生物信息学分析）的支持。作者感谢R/V “Vereshagin”（贝加尔湖俄罗斯科学院湖泊研究中心集体使用研究船队）的船员在采样方面的协助。基因组测序在相关设施中进行。