海洋所揭示深海难培养微生物浮霉菌门细菌独特的分裂方式和氮代谢机制学术资讯

近日，国际生物学期刊eLife刊发了题为“Physiological and metabolic insights into the first cultured anaerobic representative of deep-sea Planctomycetes bacteria”的文章，报道了中国科学院海洋研究所孙超岷课题组关于深海难培养微生物-浮霉菌门（Planctomycetes）细菌独特的分裂方式和氮代谢特征的研究成果。该成果首次发现浮霉菌门的藻球菌纲细菌以类似出芽生殖的方式进行分裂，并且胞内存在类似高尔基体、内质网、囊泡等真核生物的细胞结构。此外，深海浮霉状菌可以在慢性噬菌体的辅助下，有效地代谢利用硝酸根离子和铵根离子，为了解深海微生物与病毒的互作关系提供了新的见解。

浮霉菌门细菌的细胞具有复杂的胞内膜结构，有些浮霉状菌的染色质被膜包围且紧缩，类似真核生物的细胞核；除此之外，也有一些其它的类似真核生物细胞器的结构，像“粗面内质网”、厌氧氨氧化体等，这在原核生物中是仅有的。浮霉菌门细菌广泛分布在地球上的各种生态系统中，尤其在深海多个生境（冷泉、热液、深渊、海山等）中的丰度都非常高，但很难被纯培养，尤其是厌氧菌株。孙超岷课题组利用新颖的富集分离策略从“科学“号科考船采集的深海冷泉沉积物中分离获得了一株浮霉菌新种，并命名为Poriferisphaera heterotrophicis ZRK32，这是第一株获得纯培养的深海厌氧浮霉菌。结合生长试验和转录组学分析，研究人员发现N-乙酰氨基葡萄糖不会促进浮霉菌ZRK32菌株的生长，反而丰富的有机营养物可以有效促进它生长，这与之前所报道的好氧浮霉菌喜好N-乙酰氨基葡萄糖或寡营养的代谢特征有很大差异。值得一提的是，这株浮霉状菌是以类似于出芽生殖的独特方式进行分裂，胞内还有类似高尔基体、内质网、囊泡等真核生物的细胞器结构，为进一步研究其在原核生物向真核生物过渡中的进化机制提供了良好材料。

此外，研究人员还发现硝酸盐可以通过转化为氨进而生成谷氨酸进入三羧酸循环过程产生能量，最终促进浮霉菌的生长，而亚硝酸盐能抑制浮霉菌的生长。也就是说，硝酸盐或氨盐都是促进浮霉菌生长的必要因子，而亚硝酸盐则是浮霉菌生长的抑制因子。值得注意的是，在研究浮霉菌代谢含氮无机物的过程中，研究人员意外发现硝酸盐和铵可以诱导浮霉菌产生一种慢性噬菌体。这类噬菌体通过不裂解宿主细胞的方式复制，与宿主形成共生关系，而且这些噬菌体还可以通过自身编码辅助代谢基因(AMGs)参与浮霉状菌氮循环过程并生成谷氨酸。这与孙超岷团队之前的研究发现相一致：即慢性噬菌体可以辅助深海软壁菌代谢利用核酸获得能量（mBio, 2023）。这些研究结果表明在深海极端环境下噬菌体和宿主之间不仅仅只有敌对关系，还存在互惠共生关系，也揭示出深海难培养微生物仍存在着很多未知的独特生命过程。

中国科学院海洋研究所为论文第一完成单位，实验海洋生物学重点实验室郑日宽副研究员为第一作者，孙超岷研究员为通讯作者。研究得到了基金委重大研究计划集成项目、基金委创新群体项目、山东省“十四五”重点项目及中国科学院战略先导专项等项目联合资助。