光信号驱动高盐环境微生物群落转录变化：南湾盐场的昼夜节律探秘

为探究高盐环境微生物群落昼夜节律，研究人员对南湾盐场进行研究，发现光信号驱动群落转录变化，意义重大。

　　在神秘的高盐世界里，昼夜交替如同一场神奇的魔法，改变着环境和其中的生物。微生物作为生态系统的重要成员，其昼夜节律在许多环境中都起着关键作用。然而，在极端高盐的环境里，这个领域的研究却如同未被探索的神秘大陆，存在诸多空白。高盐环境中，渗透压适应的高昂生物能成本限制了微生物的代谢多样性，多数极端嗜盐菌依赖少数光合自养生物产生的有机碳维持生存。尽管此前研究表明，盐杆菌（Halobacterium salinarum）等嗜盐古菌对光强度变化有响应，但在自然原位环境下，微生物群落如何响应昼夜节律，以及光信号对其基因表达和资源利用的影响，仍然是未解之谜。

为了揭开这些谜团，来自美国乔治城大学（Georgetown University）、加州大学圣地亚哥分校斯克里普斯海洋研究所（Scripps Institution of Oceanography, UC San Diego）等多个研究机构的研究人员，以位于加利福尼亚州丘拉维斯塔的商业盐场 —— 南湾盐场（South Bay Salt Works，SBSW）为研究对象，开展了一项深入研究。相关成果发表在《Communications Biology》上。

研究人员采用了多种关键技术方法。在样本采集方面，他们从南湾盐场的特定盐池（Site 12）采集卤水样本，在 24 小时内的多个时间点（10:00、14:00、18:00、22:00、02:00、06:00）进行采样，用于 RNA 提取和其他分析。同时，还从其他池塘采集样本用于 DNA 提取和测序，以全面了解微生物群落结构。在核酸提取和测序环节，利用 KingFisher Flex 珠处理机器人和相关试剂盒进行核酸提取，提取的 DNA 和 RNA 分别进行全基因组鸟枪测序、16S 和 18S rRNA 基因扩增测序以及宏转录组测序。在数据分析阶段，运用多种生物信息学工具，如 fastp、metaSPAdes、metaBAT 2 等进行数据处理和分析，通过 DESeq2 等软件进行差异表达分析，还使用了加权基因共表达网络分析（WGCNA）等方法挖掘基因表达模式。

研究结果主要体现在以下几个方面：

• 群落结构与转录活性：研究聚焦于 Site 12，该盐池的水活度约为 0.83，pH 在 8.2 - 8.3 之间，相对稳定。在微生物群落方面，水层中的原核生物群落主要由嗜盐古菌和嗜盐细菌组成，真核生物群落则以异养甲藻（Halocafeteria seosinensis）和一些自养藻类为主。转录活性分析显示，多数 MAGs（metagenome-assembled genomes，宏基因组组装基因组）的转录本数量在昼夜之间相对稳定，但通过 DESeq2 分析，仍鉴定出 2210 个基因存在显著的昼夜差异表达，占总数据集的 1.22%。
• 昼夜转录模式：许多参与有氧呼吸的基因在夜间显著上调，如超氧化物歧化酶（SODs）在 22:00 - 02:00 达到表达峰值，同时，参与三羧酸（TCA）循环关键酶的基因以及铁硫簇组装相关基因也在夜间上调，这表明夜间有氧呼吸增强，可能导致活性氧物种（ROS）增加，而 SODs 等基因的上调有助于应对氧化应激。相反，参与合成代谢途径的基因，如碳和磷酸盐同化、氨基酸生物合成相关基因，在白天表达增加。例如，多个属的甘油激酶基因在 14:00 - 18:00 达到峰值，同时，有氧和无氧甘油 - 3 - 磷酸脱氢酶基因也上调，这意味着白天微生物利用有机底物进行生长和生物量积累。此外，光营养和光合自养碳生成相关基因呈现多样的调控模式。属于嗜盐蓝藻（Halothece）的光系统 II 基因在中午转录达到峰值，光系统 I 基因则在午夜附近达到峰值；一些属的无氧光合反应中心和细菌叶绿素合成相关基因在 02:00 - 06:00 表达上调；多数视紫红质基因在下午中晚期表达最高，部分在清晨有轻微上调。
• 盐杆菌（Salinibacter ruber）的光依赖性基因表达及与环境 MAGs 的比较：研究人员通过恒化器培养盐杆菌（Salinibacter ruber）菌株 M31，发现光照条件对其基因表达影响显著，44% 的基因在光照和黑暗条件下差异表达。与环境中的盐杆菌 MAGs 相比，两者在一些基因的表达模式上具有相似性，如 SODs、柠檬酸循环相关酶等在黑暗条件下均上调，部分碳代谢相关基因在光照条件下上调。但也存在差异，如在盐杆菌培养物中发现了一些在环境 MAGs 中未检测到的差异表达基因，可能是由于测序覆盖度、基因组完整性或环境差异导致。

研究结论和讨论部分表明，该研究揭示了光信号在南湾盐场微生物群落代谢相关基因转录调控中的重要作用。白天，微生物可能利用光驱动 ATP 生成，为合成代谢过程提供能量；夜晚则切换到有氧呼吸模式。这种代谢转换可能受光抑制呼吸作用以及对光和有机碳资源的有效利用影响。此外，研究还发现不同嗜盐生物的昼夜节律调控存在差异，盐杆菌（Salinibacter ruber）未观察到昼夜节律的同步化，而盐杆菌（Halobacterium salinarum）则有相关现象。该研究强调了研究高盐环境昼夜节律的重要性，为深入理解微生物群落如何在光信号调节下进行氧气利用的功能转换提供了依据，也为后续研究高盐环境中未明确的调控网络以及昼夜节律表型的多样性奠定了基础。