海洋微生物新发现：难培养的Verrucomicrobiota在碳循环中的关键作用

《mBio》：Insights into the physiological and metabolic features of Thalassobacterium, a novel genus of Verrucomicrobiota with the potential to drive the carbon cycle

本研究揭示了Verrucomicrobiota在海洋碳循环中的独特贡献，为理解海洋微生物生态功能提供了新视角（Verrucomicrobiota）。

　　在海洋深处，一群神秘的微生物Verrucomicrobiota正悄然影响着地球的碳循环。这些难以培养的微生物因其独特的代谢能力而备受关注。它们广泛分布于海洋、湖泊、土壤和人体肠道等环境中，却因培养难度高而鲜为人知。近期，一项突破性研究成功分离出两个新的Verrucomicrobiota菌株——Thalassobacterium maritimum SDUM461003^T和Thalassobacterium sedimentorum SDUM461004^T，并深入剖析了它们在多糖降解和合成中的关键作用。

研究背景

Verrucomicrobiota与Planctomycetota和Chlamydiota共同构成了细菌域中的PVC超门。它们在海洋碳循环中扮演着重要角色，能够代谢多种难以降解的碳水化合物和多糖。这些微生物通过降解海洋中的溶解有机物（DOM），影响碳的流动和储存。然而，由于Verrucomicrobiota难以培养，目前对其生理功能和生态作用的研究仍十分有限。

研究方法与菌株鉴定

研究人员从中国威海的海洋沉积物中分离出了Thalassobacterium maritimum SDUM461003^T和Thalassobacterium sedimentorum SDUM461004^T。通过16S rRNA基因序列分析，发现这两个菌株与Coraliomargarita sinensis WN38^T最为相似，但平均核苷酸一致性（ANI）和平均氨基酸一致性（AAI）值表明它们属于两个新的物种。基因组测序显示，SDUM461003^T含有4092个基因，而SDUM461004^T含有3778个基因，两者的DNA G+C含量分别为52.2%和50.3%。

代谢通路分析

代谢通路分析表明，这两个菌株具备完整的糖酵解（M00002）、丙酮酸氧化（M00307）、三羧酸循环（M00011）、磷酸戊糖途径（M00007）和PRPP生物合成（M00005）等碳水化合物代谢通路。它们还拥有完整的氮固定通路（M00175），能够在有氧条件下将氮转化为氨，这在Verrucomicrobiota中尚属首次发现。此外，这两个菌株还表现出对多种抗生素的耐受性，包括大环内酯类（如红霉素）和氟喹诺酮类（如诺氟沙星）。

多糖降解与合成能力

研究人员进一步分析了这两个菌株的多糖降解能力。基因组注释显示，它们含有多个与多糖降解相关的基因簇，包括PUL-like基因簇和CAZyme基因簇（CGCs）。这些基因簇编码的酶能够降解多种复杂的多糖，如岩藻糖聚糖（fucoidan）、软骨素硫酸盐（chondroitin sulfate）和淀粉。实验结果表明，SDUM461003^T在含有软骨素硫酸盐的培养基中生长最为旺盛，而SDUM461004^T则对岩藻糖聚糖表现出较强的降解能力。

此外，透射电子显微镜（TEM）图像显示，这些细菌能够合成并储存大量的糖原颗粒，并通过外膜囊泡（OMVs）分泌多糖降解酶。这种能力不仅有助于它们在寡营养的海洋环境中生存，还可能通过降解复杂的多糖来影响海洋DOM库。

氮限制条件下的代谢变化

在氮限制条件下，这两个菌株表现出独特的代谢特征。尽管它们的多糖降解能力略有下降，但生物膜合成能力显著增强。实验表明，在氮限制条件下，SDUM461003^T和SDUM461004^T能够通过氮固定维持正常的生长和代谢。这种能力使它们能够在氮匮乏的海洋环境中生存，并通过生物膜的形成促进碳颗粒的沉降，从而对海洋碳汇产生影响。

研究意义

本研究不仅揭示了Thalassobacterium在海洋碳循环中的独特作用，还为开发新的多糖降解酶和抗生素耐受机制提供了潜在的资源。通过深入理解Verrucomicrobiota的代谢机制，我们能够更好地评估它们在海洋生态系统中的生态功能，并为未来的海洋环境保护和生物技术应用提供理论支持。