高分辨率昼夜尺度下热带太平洋表层海洋微生物的多组学响应与适应机制解析

《Scientific Data》：A high-resolution diel survey of surface ocean metagenomes, metatranscriptomes, and transfer RNA transcripts

本研究针对海洋微生物对环境变化的快速响应机制尚不清晰的问题，通过48小时内每1.5小时连续采样，整合宏基因组、宏转录组、tRNA转录本及生物地球化学数据，首次实现了热带太平洋近海与离岸水体微生物群落的高分辨率昼夜动态解析。研究揭示了微生物通过转录调控和翻译后修饰快速适应环境波动的机制，为海洋微生物生态学与生物地球化学循环研究提供了宝贵资源。

　　

海洋微生物是地球生态系统的无声主宰者，它们通过调控碳、氮等关键元素的循环，深刻影响着全球气候与生态平衡。然而，这些微观生命如何感知并响应瞬息万变的环境信号，尤其是昼夜更替、营养盐波动等短时间尺度变化，始终是海洋科学领域的核心难题。传统研究多聚焦于数周或季节尺度的群落结构演变，却难以捕捉微生物在数小时内的生理调控“瞬间”。这种快速响应往往通过基因表达与蛋白质翻译实现，无需改变群落组成，却能直接调控微生物代谢功能，进而重塑海洋生物地球化学循环路径。

为揭开这一微观世界的动态对话，由夏威夷大学马诺阿分校、芝加哥大学、德国阿尔弗雷德·魏格纳研究所等机构联合开展的“夏威夷昼夜采样（HaDS）”计划，在《Scientific Data》发表了迄今最高分辨率的海洋微生物多组学数据集。研究团队在48小时内对夏威夷凯恩奥赫湾（HP1站）及邻近离岸水域（STO1站）进行每1.5小时一次的连续采样，获取了202组组学数据，包括65个短读长宏基因组、8个长读长宏基因组、59个宏转录组、66个tRNA转录本库及配套生物地球化学参数。该数据集首次实现了海洋微生物tRNA转录本的高通量测序，为从翻译层面解析微生物适应性提供了独特视角。

关键技术方法概述

研究通过0.2 μm滤膜收集微生物细胞，分别采用酚-氯仿法和商业化试剂盒（ZymoBIOMICS DNA/RNA Miniprep kit）提取核酸。短读长宏基因组文库通过Covaris超声破碎与Illumina NextSeq 500平台测序；长读长宏基因组使用PacBio Revio平台进行HiFi测序；宏转录组文库通过Tecan Universal Prokaryotic RNA-Seq试剂盒制备，Illumina NextSeq2000测序；tRNA文库采用多重小RNA测序技术（MSR-seq），通过去乙酰化、连接条形码接头、链特异性逆转录等步骤，在Illumina NovaSeq 6000上完成测序。所有序列数据经Cutadapt、SortMeRNA等工具质控，使用IDBA-UD和Hifiasm进行宏基因组共组装，通过MetaBAT2分箱获得160个宏基因组组装基因组（MAGs），并利用GTDB-Tk和Kaiju进行 taxonomic annotation。

微生物群落结构的时空分异

通过宏基因组、宏转录组及tRNA数据的联合分析，发现Alpha变形菌纲（Alphaproteobacteria）和蓝藻纲（Cyanophyceae）在两类站点中均占主导地位，但近岸站点的Mamiellophyceae（一类海洋微微型真核浮游生物）和Flavobacteriia（黄杆菌纲）丰度显著高于离岸站点。昼夜变化对微生物群落的影响在近岸样本中尤为明显，夜间样本中部分类群的转录活性显著升高，暗示光驱动代谢的周期性调控。tRNA转录本的分析进一步揭示，微生物可能通过翻译调控（如tRNA修饰）快速调整蛋白质合成策略，以应对营养盐可用性变化。

环境驱动的生理适应性证据

生物地球化学数据表明，近岸站点HP1具有更高的叶绿素a浓度、硅酸盐含量和聚球藻（Synechococcus）丰度，而离岸站点STO1则以原绿球藻（Prochlorococcus）为优势类群。昼夜尺度上，HP1站的叶绿素a与聚球藻丰度呈现明显的昼夜振荡，午后达到峰值；STO1站则表现出以天为单位的缓慢变化趋势，可能与采样前期的降雨和潮流输入有关。这些环境波动直接关联到微生物的碳固定、氮代谢等通路基因的表达模式，例如蓝藻在光照期的光合作用相关转录本显著富集。

基因组资源与数据可及性

研究通过站点的短读长和长读长宏基因组共组装，重建了160个MAGs（63个高质量，97个中质量），其中包括一个环化的Pelagibacterales（SAR11）基因组——该类群因基因组特征复杂，难以通过短读长数据完整组装。长读长组装还获得73条长度超过1 Mbp的contig，显著提升了基因组连续性与功能注释可靠性。所有原始数据、组装结果及生物信息学流程均已公开，可通过NCBI BioProject PRJNA1201851、PRJNA1235278及FigShare平台获取。

结论与展望

HaDS数据集通过多组学整合与高时间分辨率采样，揭示了海洋微生物在短时间尺度内通过转录与翻译级联响应环境变化的动态规律。该资源不仅为微生物生理生态学研究提供了新范式，更有助于揭示气候变化背景下海洋碳循环的微生物调控机制。未来研究可进一步结合杂交组装（hybrid assembly）与真核特异性分析工具，挖掘未被捕获的微生物多样性，深化对海洋微生物适应性的理解。