马里亚纳海沟沉积物中亚硝酸盐氧化细菌的生态位分化及其对深海氮循环的驱动作用

《Microbiome》：Clear niche partitioning of nitrite-oxidizing bacteria from the bottom and the slope of Mariana Trench

　　本研究针对深渊海沟生态系统中微生物生态位分化的争议问题，聚焦马里亚纳海沟沉积物中的亚硝酸盐氧化细菌（NOB），通过宏基因组和宏转录组分析，揭示了NOB在海底斜坡（6000-10000米）与海沟底部（>10000米）之间存在显著的生态位分化。研究发现斜坡优势NOB具有更强的抗氧化和渗透调节能力，其硝化（nxrA表达量高1.48倍）和碳固定（aclA表达量高1.28倍）活性显著高于底部群体，并通过共现网络分析证实了NOB在不同深度区域分别与氨氧化微生物和硝酸盐还原菌形成特异性互作网络，阐明了NOB通过差异化的代谢策略适应深渊极端环境并驱动氮碳循环的关键作用。

　　

在地球最深处——马里亚纳海沟的万米深渊中，存在着一个充满神秘色彩的微生物世界。这里不仅承受着高达110兆帕的静水压力，还面临着永久黑暗、低温和特殊的地球化学环境。尽管条件极端，海沟沉积物中依然活跃着丰富的微生物群落，它们在深海元素循环中扮演着关键角色。其中，亚硝酸盐氧化细菌（NOB）作为唯一能够将亚硝酸盐转化为硝酸盐的微生物类群，对维持海沟生态系统的氮平衡具有重要意义。

然而，长期以来科学家们对深渊环境中微生物是否存在生态位分化存在争议。特别是在V形结构的海沟中，从斜坡到海沟底部存在着明显的环境梯度：底部接收更多从表层沉降的有机质，而斜坡则相对贫瘠；压力从斜坡的60兆帕到底部的110兆帕逐渐增加；氧化还原条件也随深度变化。这些微环境差异是否会导致NOB群体产生功能分化？它们在不同深度区域如何适应极端压力？又是如何参与氮碳循环过程？这些问题至今尚未得到明确解答。

为了回答这些科学问题，上海交通大学张宇团队在《Microbiome》上发表了最新研究成果。研究人员整合了58个马里亚纳海沟沉积物的宏基因组数据集，包括35个新测序样本和23个已发表数据，覆盖了从6000米到11000米的不同深度区域。通过宏基因组组装获得了1889个中等质量以上的宏基因组组装基因组（MAG），经去冗余后得到399个代表性MAG。利用宏转录组数据分析了关键基因的表达活性，并通过共现网络探讨了微生物间的相互作用关系。

研究发现，从马里亚纳海沟沉积物中成功重建了8个高质量的NOB MAGs，这些基因组大小在1.89-3.53 Mbp之间，GC含量为47.73%-59.27%。系统发育分析显示它们主要属于Nitrospinales和Nitrospirales两类，其中MT45和MT49可能代表新的分类单元。值得注意的是，这些NOB在斜坡（6000-10000米）和底部（>10000米）沉积物中呈现出明显的生态位分化。

NOB在马里亚纳海沟斜坡和底部呈现明显的生态位分化

非度量多维尺度分析（NMDS）显示，斜坡和底部样品的NOB群落结构存在显著差异（ADONIS分析，p<0.01）。相对丰度分析表明，MT306、MT307、MT308和MT47在斜坡样品中显著富集，而其他NOB类群则在底部占优势。宏转录组分析进一步揭示，斜坡样品中nxrA（亚硝酸盐氧化酶）基因表达量比底部高1.48倍，aclA（ATP-柠檬酸裂解酶）基因表达量高1.28倍，表明斜坡NOB具有更高的硝化和碳固定活性。特别值得注意的是，虽然MT50在底部丰度更高，但其nxrA基因在两种环境中均保持高转录活性，显示了其独特的环境适应性。

斜坡和底部NOB具有不同的代谢适应策略

基因功能分析揭示了不同深度NOB的适应性差异。所有NOB MAG均含有完整的rTCA循环（反向三羧酸循环）碳固定途径基因，但缺乏Calvin-Benson-Bassham循环相关基因。斜坡优势的NOB（如MT306、MT307）含有更丰富的抗氧化基因，包括谷胱甘肽过氧化物酶（gpx）和氯过氧化物酶（cpo）基因，这些基因参与H₂O₂的降解。此外，这些NOB还含有多种相容性溶质转运蛋白基因，如负责运输亚精胺（potABCD）、甘氨酸甜菜碱（proXWY）和海藻糖（thuEFGK）的转运蛋白，这些物质有助于缓解高压应激。

在能量代谢方面，Nitrospinales类NOB含有甲酸降解基因（fdhAB），而Nitrospirales类NOB则含有亚硫酸盐氧化酶基因（SUOX），表明它们能利用多种能源物质。特别有趣的是，所有NOB均含有两种细胞色素氧化酶：细胞色素bd泛醌氧化酶（cydAB）和细胞色素cbb₃型氧化酶（ccoNOPQ），这反映了它们的微需氧生活方式。宏转录组数据证实，这些适应性基因在各自环境中均活跃表达。

NOB在斜坡和底部生态系统中扮演不同的生态角色

共现网络分析包含367个节点（微生物类群）和19,996条边（显著共现关系），呈现出明显的模块结构。底部优势的NOB（MT45、MT48、MT49、MT50）聚集在模块1中，与128个微生物类群相关联，包括2个氨氧化古菌（AOA）、30个硝酸盐还原菌和96个潜在异养微生物。这些NOB具有较高的模块内连接度（53-111），但在整个网络中的中心性较低，被归类为"外围物种"。

相比之下，斜坡优势的NOB（MT47、MT306、MT307、MT308）集中在模块3中，与55个节点相连，包括9个氨氧化微生物（8个AOA和1个氨氧化细菌AOB）、4个硝酸盐还原菌和42个潜在异养微生物。这些NOB具有较高的模块间连接性，其中MT47、MT307和MT308被识别为"模块枢纽"，在网络中发挥关键连接作用。

功能分析表明，底部NOB主要与硝酸盐还原菌和复杂有机物降解菌相关联，负责提供硝酸盐和有机碳；而斜坡NOB则更多与氨氧化微生物互作，主要功能是消耗氨氧化过程产生的亚硝酸盐，防止其积累至毒性浓度，同时为异养微生物提供有机碳源。

本研究通过多组学分析揭示了马里亚纳海沟沉积物中NOB的深度依赖性生态位分化。研究发现，从斜坡到底部，NOB在群落组成、代谢潜力和转录活性方面均存在显著差异。斜坡NOB具有更强的抗氧化和压力适应机制，硝化和碳固定活性更高，主要功能是消耗亚硝酸盐并支持氨氧化过程；而底部NOB则与硝酸盐还原菌和有机质降解菌形成紧密互作，主要负责硝酸盐生产和有机碳供应。

这些发现不仅阐明了NOB在深渊氮循环中的关键作用，还揭示了微生物如何通过功能分化来适应极端环境中的微尺度梯度。研究建立的生态位分化框架为理解地球最深处生态系统的微生物适应机制和元素循环过程提供了重要理论基础，对探索极端环境微生物的生存策略和生物地球化学循环机制具有重要意义。