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ISME Com：捕食性细菌的狩猎场-南海海山
发布时间：
2025-03-21
美格基因有幸参与本文章宏基因组与宏转录组测序工作。本研究采用了多组学分析方法，以揭示Zhenbei海山微生物群落的多样性及其代谢活动。研究团队于2022年7月的“科学”号科考航次期间，在Zhenbei海山不同深度（表层、中层、底层）采集了24个海水样本（每个样本100升）。本文转载自微生物生态iMcro公众号。
海山（Seamounts）是海洋生态系统中的关键生物多样性热点，具有丰富的营养物质，并吸引着大量的海洋生物。然而，关于海山微生物群落的代谢活动仍然知之甚少。已有研究表明，海山的物理海洋条件（如垂直混合、涡流和颗粒有机物的富集）会显著影响微生物的生物地球化学循环。然而，大多数研究仅基于16S rDNA测序，无法区分活跃、休眠和死亡的微生物，使得我们对海山微生物过程的理解仍然有限。此外，微生物在海山生态系统中的作用主要关注固碳、氮循环等功能，而对捕食性细菌（如Bdellovibrionota 和 Myxococcota）的研究极为稀缺。捕食性细菌通过捕食其他微生物，在调控微生物群落结构、加速有机物降解及元素循环方面可能发挥着重要作用。本研究聚焦于南海Zhenbei海山的微生物群落，特别是捕食性细菌的活性和生态功能，探讨其在海山生态系统中的潜在作用。
研究方法
本研究采用了多组学分析方法，以揭示Zhenbei海山微生物群落的多样性及其代谢活动。研究团队于2022年7月的“科学”号科考航次期间，在Zhenbei海山不同深度（表层、中层、底层）采集了24个海水样本（每个样本100升）。使用多单元大体积原位过滤系统（MULVFS） 分别收集自由生活（FL）和颗粒附着（PA）微生物。样本经过16S rDNA和16S rRNA高通量测序，并结合宏基因组学（metagenomics） 和宏转录组学（metatranscriptomics） 进行分析，以确定微生物的多样性和活跃度。研究使用rRNA/rDNA比值作为微生物代谢活性的代理指标，并对捕食性细菌的基因表达情况进行深入分析。此外，通过宏基因组拼装（MAGs） 和基因功能注释，研究团队鉴定了捕食性细菌的代谢潜力，并分析了与捕食相关的关键基因，如鞭毛、菌毛和T4样病毒尾管蛋白等，以评估它们在海山生态系统中的捕食行为。
主要研究结果
1. Zhenbei海山的微生物群落组成与多样性
本研究通过16S rRNA和16S rDNA测序分析，发现Zhenbei海山的微生物群落由超过20个门的微生物组成，其中变形菌门（Proteobacteria）、放线菌门（Actinobacteriota）、蓝藻门（Cyanobacteria）、拟杆菌门（Bacteroidota）、奇古菌门（Thaumarchaeota）和浮霉菌门（Planctomycetota） 是主要优势类群。这些微生物在自由生活（FL）和颗粒附着（PA）状态下均有分布，但不同深度的微生物群落组成存在显著差异。此外，研究发现约2,616个OTUs（操作分类单元） 仅出现在rRNA数据中，而未在rDNA数据中检测到，表明这些微生物虽然丰度较低，但代谢活性较高。这一结果凸显了海山生态系统中微生物的动态活性特征。
2. 捕食性细菌（Bdellovibrionota和Myxococcota）的高活性
研究显示，捕食性细菌Bdellovibrionota 和 Myxococcota 在Zhenbei海山生态系统中具有极高的代谢活性。通过计算rRNA/rDNA比值，发现这两个门的细菌比其他微生物类群的活性高出10到200倍，表明它们在该生态系统中可能扮演着重要的捕食者角色。具体而言，研究共检测到359个Bdellovibrionota OTUs和144个Myxococcota OTUs，其中许多OTUs的rRNA丰度远高于rDNA丰度，进一步证明其高代谢活性。此外，Bdellovibrionota主要包括Bdellovibrionales、Bacteriovoracia 和 Oligoflexales，而Myxococcota主要包括Polyangiales、Myxococcales 和 Haliangiales。
3. 捕食性细菌的基因表达及功能特征
研究团队进一步利用宏基因组拼装（MAGs） 和宏转录组分析，成功组装了23个Myxococcota MAGs 和12个Bdellovibrionota MAGs，并对其基因功能进行了深入挖掘。结果表明，这些捕食性细菌中高表达的基因主要与运动（如鞭毛和菌毛蛋白）、捕食机制（如T4样病毒尾管蛋白gp19）和细胞壁降解（如糖苷水解酶GH23、GH102、GH171） 相关。这些功能基因的活跃表达，表明捕食性细菌可能通过鞭毛和菌毛增强运动能力，以T4-like病毒样蛋白注射毒素，并利用细胞壁降解酶消化猎物，从而维持其在海山生态系统中的捕食行为。
4. 海山作为捕食性细菌的“狩猎场”
综合16S rRNA/rDNA数据和宏转录组数据，研究发现Zhenbei海山的捕食性细菌具有显著的生态适应性，它们可能通过调控微生物群落的组成和动态变化，在海山生态系统中发挥重要作用。尽管海山生态系统中微生物的整体代谢活性较高，但多数高丰度微生物的活性较低，而捕食性细菌虽然丰度较低，却表现出极高的活性。这种“低丰度-高活性” 现象可能意味着，捕食性细菌通过捕食作用加速了微生物的周转率，并对海山微生物群落结构和生物地球化学循环产生了深远影响。因此，本研究提出，海山可能是微生物捕食者的“狩猎场”，捕食性细菌在这一环境中可能通过调节元素循环和能量流动，塑造整个海山生态系统。
总结
本研究首次系统性地揭示了海山生态系统中捕食性细菌的高活性及其潜在生态作用。研究发现，Bdellovibrionota和Myxococcota在Zhenbei海山表现出极高的代谢活性，并且在基因功能上与捕食相关的运动、攻击和降解机制高度相关。研究提出，海山可能是捕食性细菌的重要栖息地，它们可能通过捕食作用加速微生物群落的动态变化，进而影响海山的生态系统稳定性。这些发现为海山微生物生态学提供了新的视角，并为理解海洋微生物食物网及其生态功能提供了重要依据。
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