打破认知边界：非蓝藻固氮共生体揭示海洋氮循环新机制
海洋中，氮循环的奥秘一直吸引着科学家们不断探索。氮作为生命的必需元素，其固定过程对海洋生态系统的平衡与繁荣至关重要。此前，海洋中的氮固定几乎被认为主要由蓝藻完成。然而，海洋中广泛存在的非蓝藻细菌和古菌所携带的固氮基因，却暗示着可能存在其他尚未被揭示的氮固定机制。
如今，一项令人振奋的研究打破了这一认知局限。科学家们在热带北大西洋的探险中，有了意外的重大发现，一种非蓝藻的固氮共生体 ——“Candidatus Tectiglobus diatomicola”，它与硅藻宿主形成了紧密的共生关系，为海洋氮循环带来了全新的认知。
这一发现不仅拓展了我们对海洋生态系统中微生物相互作用的理解，也为进一步研究海洋生产力和全球碳循环提供了重要线索。
氮是构成所有生物体不可或缺的基本元素，在海洋生态系统中，它对生命活动的开展具有根本性的限制作用，是维持生命正常运转的关键成分。
在自然界中，大气氮气是氮元素的最大储存库，其储量极为丰富，以气体形式自由存在于大气之中。然而，绝大多数海洋生物自身并不具备直接利用这种气态氮的能力。只有特定的微生物群体，它们拥有一种特殊的酶 —— 固氮酶，才能够启动将大气氮气转化为生物可利用的氨的关键过程。这种转化是氮元素进入海洋生物地球化学循环的重要入口。
长期以来，科学家们普遍认为海洋中的氮固定主要由蓝藻完成。然而，海洋中那些广泛存在于非蓝藻细菌和古菌中的固氮基因，却仿佛是一个个未解的谜团，暗示着可能存在其他被我们忽视的氮固定途径。
图3 固氮根瘤菌在陆地或海洋环境中与不同宿主的共生关系图
直到最近，在热带北大西洋的一次探险中，科学家们终于揭开了这层神秘的面纱。他们发现了一种非蓝藻的固氮共生体——“Candidatus Tectiglobus diatomicola”，它与硅藻宿主形成了紧密的共生关系，宛如一对默契的舞伴，在海洋氮循环的舞台上翩翩起舞。
新发现的主角：根瘤菌 - 硅藻共生体
图4 “Ca. Tectiglobus diatomicola” 及其宿主硅藻的系统发育分析
研究人员在热带北大西洋表层海水中检测到固氮速率可高达每天每升40纳摩尔氮（40 nmol N/(L·day)），该区域的固氮活动约占全球海洋固氮的20%。然而，进一步分析表明，蓝藻对这一高固氮速率的贡献仅占其中的一小部分。为了探寻其他潜在的固氮生物，研究团队利用宏基因组测序技术发现了非蓝藻类固氮微生物的存在，其中尤为突出的是一种名为gamma-A的固氮菌。分析显示，gamma-A的NifH基因仅存在于大于3 μm的颗粒组分中，这表明该固氮菌可能附着在大颗粒上，或与其他生命体形成共生关系。通过进一步的基因组测序，研究人员确定gamma-A实际上属于根瘤菌目的α-变形菌，并将其暂时命名为Ca. Tectiglobus diatomicola。
进一步通过特异性荧光原位杂交技术，发现该固氮菌位于硅藻（Haslea）内部,确认海洋中的根瘤菌-硅藻共生体系。扫描电子显微镜（SEM）和共聚焦激光扫描显微镜图像可以直观呈现“Ca. Tectiglobus diatomicola” 与硅藻宿主的共生状态，确定其位于硅藻宿主细胞内，且宿主细胞核附近通常有特定数量（如四个，分裂时可达八个）的共生体，同时展示了宿主细胞大小的变化范围，为研究两者之间的物理联系和相互作用提供了直接的形态学证据，即共生体在宿主细胞内的分布位置可能与其获取营养物质或与宿主进行物质交换的机制相关。
关键发现:新发现了一株非蓝藻类固氮菌，命名为Ca.Tectiglobus diatomicola，该固氮菌位于硅藻（Haslea）内部，确认海洋中存在根瘤菌-硅藻共生体系
硅藻与Ca. T. diatomicola代谢相互作用
图6“Ca. Tectiglobus diatomicola”共生体的基因组特性、基因转录和代谢
为了深入研究 Ca. Tectiglobus diatomicola 与宿主硅藻 Haslea 之间的代谢相互作用，研究人员结合基因组和原位转录组数据进行了详细分析。研究发现，Ca. Tectiglobus diatomicola基因组大小为 1.704 Mb，GC 含量 37.9%，完整性高且冗余低， 编码固氮所需的关键基因（如氮酶nifH、nifD、nifK及铁钼辅助因子nifE、nifN、nifB），并表现出高水平转录活性，表明其具备高效固氮能力。该共生体在基因层面已适应了固氮这一重要生理过程，是其在海洋氮循环中发挥作用的基础。
尽管基因组高度缩减，但其三羧酸循环（TCA循环）相关基因（如苹果酸脱氢酶和琥珀酸脱氢酶）表达活跃，而糖酵解相关基因表达较低，表明其主要利用二羧酸类物质作为碳源。
关键发现：Ca. Tectiglobus diatomicola 通过固氮为宿主硅藻提供氨，而宿主则通过光合作用提供苹果酸和琥珀酸等碳源。
图7 “Ca. Tectiglobus diatomicola” 共生体及其硅藻宿主的活性
研究人员利用15N 同位素示踪和nanoSIMS技术测定单细胞固氮速率。研究发现Ca. Tectiglobus diatomicola 能够在体内固定大气氮，并将其中99%转移给宿主硅藻。与固氮菌提供氮源相对应,作者基于13C示踪的结果计算了共生硅藻通过光合作用固定CO2,并将其中约1%转移给Ca. Tectiglobus diatomicola ，精准量化了共生体与宿主之间氮和碳的交换比例。此外，计算出共生体和宿主具有相近的碳基生长速率，且显微镜观察到共生体的协调分裂和垂直传递，证明了两者在生长过程中存在同步协调机制，这种协调确保了共生关系在细胞分裂和繁殖过程中的稳定性和持续性。
关键发现：Ca. Tectiglobus diatomicola 与硅藻之间形成了高度紧密的能量代谢耦合关系，有效确保了共生体内物质和能量的高效循环。
Ca. T. diatomicola广泛存在所有主要寡营养海域
图8 "Ca. Tectiglobus diatomicola”及其他固氮生物在世界海洋中的分布
研究表明，Ca. Tectiglobus diatomicola-硅藻共生体系在热带北大西洋的固氮速率与蓝细菌相当（1.5 nmol N L⁻¹ day⁻¹），并通过宏基因组和qPCR数据发现该共生体系广泛分布于南太平洋、印度洋和南大西洋等主要寡营养海域。在这些蓝细菌稀少的区域，Ca. Tectiglobus diatomicola-硅藻共生体系可能是固氮的主要来源。这表明该共生体在全球海洋生态系统中的普遍性，暗示其在海洋氮循环中可能具有广泛的影响力，不受地理区域限制，可能适应多种海洋环境条件。
关键发现：Ca. Tectiglobus diatomicola-硅藻共生体系在寡营养海域广泛分布，其固氮能力显著，是蓝细菌之外的重要固氮来源，填补了海洋氮循环的空白，对海洋生态系统的平衡和功能具有重要意义。
综上所述，研究发现了一种新型固氮共生体系，并详细阐释了其分子机制和生态学意义：
Ca. Tectiglobus diatomicola 是一种能够固氮的根瘤菌，与硅藻形成稳定的共生关系;
Ca. Tectiglobus diatomicola能够在体内高效固氮，并将绝大部分固定的氮转移给宿主硅藻;
共生硅藻通过光合作用固定CO2，为Ca. Tectiglobus diatomicola提供碳源和还原力，使共生体内部形成紧密耦合的物质和能量循环;
Ca. Tectiglobus diatomicola-硅藻共生体系广泛分布于寡营养海域，并对区域乃至全球海洋的固氮和初级生产力做出了重要贡献。
深化海洋氮循环认知：打破了海洋氮固定主要由蓝藻完成的传统观念，揭示了非蓝藻固氮微生物（如 “Candidatus Tectiglobus diatomicola”）与硅藻共生在海洋氮循环中的重要作用。这表明海洋氮循环的机制远比之前认知的更为复杂多样，促使科学家重新审视和完善海洋氮循环模型，将新发现的共生关系纳入其中，以更准确地模拟和预测海洋氮循环过程及其对生态系统的影响。
重新评估海洋生产力驱动因素：认识到根瘤菌 - 硅藻共生体等非蓝藻固氮途径对海洋初级生产力的重要贡献，改变了以往对海洋生产力主要依赖蓝藻固氮的看法。这意味着在研究海洋生态系统生产力时，需要充分考虑多种固氮微生物的综合作用，以及它们与其他生物和环境因素的相互关系。例如，在评估海洋生态系统对气候变化或人类活动干扰的响应时，应纳入新发现的共生固氮机制对初级生产力的影响，从而更准确地预测海洋生态系统的变化趋势。
强调微生物共生关系的重要性：发现了一种新的微生物共生模式，即根瘤菌与硅藻的共生关系，这不仅为微生物生态学研究提供了新的范例，也暗示海洋中可能存在更多未被发现的微生物共生体系。这些共生关系可能在海洋生态系统的物质循环、能量流动和生态平衡维持中发挥着关键作用，但此前未得到足够重视。未来研究应更加关注微生物之间的共生相互作用，探索其在生态系统功能中的广泛意义，以及共生关系的形成、演化和稳定性机制。
Tschitschko, B., Esti, M., Philippi, M. et al. Rhizobia–diatom symbiosis fixes missing nitrogen in the ocean. Nature 630, 899–904 (2024). https://doi.org/10.1038/s41586-024-07495-w
汇报人|蒋齐旗、刘建彤
本文来源于2024年“水生生物学原理与进展”课堂讨论。
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