共生关系 Sulfitobacter细菌通过促进维生素B12的生物合成，来帮助Emiliania huxleyi的生长

《Algal Research》：Symbiotic Sulfitobacter promote the growth of Emiliania huxleyi through vitamin B 12 biosynthesis

Emiliania huxleyi依赖共生菌Sulfitobacter提供的维生素B12完成增殖，该菌是唯一在藻菌共培养中证实具有完整VB12合成途径的细菌属，其共生关系通过代谢物交换维持海洋初级生产力。

　　

江南茜|杨晓宇|蔡润林|蔡观静|王慧

中国广东省海洋生物技术重点实验室，汕头大学，汕头，515063

摘要

Emiliania huxleyi是一种普遍存在的颗石藻，对海洋净初级生产力和全球生物地球化学循环有着重要贡献。作为维生素B₁₂（VB₁₂）的辅助营养型生物，这种浮游植物依赖外部获取VB₁₂来繁殖。虽然已知藻圈细菌能够合成并供应VB₁₂给藻类宿主，但参与Emiliania huxleyi藻圈内这种营养交换的具体细菌类群仍知之甚少。通过使用16S rRNA基因扩增子测序和宏基因组分析对与Emiliania huxleyi相关的藻圈微生物群进行综合分析，我们确定了Sulfitobacter是唯一拥有完整VB₁₂生物合成途径的细菌属。基因组途径和实验验证证实了两种分离的Sulfitobacter菌株具有VB₁₂生物合成能力。共培养实验表明，这些共生体在VB₁₂缺乏的条件下能够恢复无菌藻类的繁殖，并从藻类衍生的有机碳中获益。基因组分析确认Sulfitobacter在海洋生态系统中普遍存在，其VB₁₂生物合成基因在所有已鉴定菌株中都具有系统发育保守性。本研究阐明了Emiliania huxleyi与Sulfitobacter细菌之间的强制性营养互惠关系，揭示了一种特定的VB₁₂供应机制，这种机制通过针对性的藻圈共生关系维持了这种全球重要的颗石藻的初级生产力和碳循环贡献。

引言

Emiliania huxleyi是一种单细胞钙化颗石藻，属于Haptophyta门，通过其在有机碳生产和碳酸钙形成方面的双重作用，在全球生物地球化学循环中发挥着关键作用[1]。E. huxleyi约占浮游植物生物量的15%，每年产生近1.6拍克的碳酸钙[2]，[3]，[4]，相当于全球海洋碳酸钙产量的三分之一[5]。此外，E. huxleyi在受到渗透压胁迫时会产生二甲基磺丙酸酯（DMSP），这是二甲基硫化物（DMS）的前体，可以调节大气反照率和云层形成[6]，[7]，[8]，进一步巩固了其作为海洋生物地球化学关键物种的地位。

作为典型的VB₁₂辅助营养型生物，E. huxleyi缺乏独立合成这种含钴辅酶的生物合成途径，必须通过专门的转运系统从外部获取[7]，[9]。这种严格的辅助营养需求对E. huxleyi在广阔的海洋区域中的生存构成了挑战，因为这些区域的溶解VB₁₂浓度通常低于1 pM——这对许多辅助营养型浮游植物来说是一个限制。与能够通过捕食细菌来补充VB₁₂的混合营养型竞争者（如甲藻）不同[10]，E. huxleyi严格的光合策略使其VB₁₂的获取只能通过被动扩散或共生体介导的交换来实现。这种生理限制促使它与能够合成VB₁₂的细菌建立高效的互惠关系，这一点在E. huxleyi大量繁殖期间特定细菌类群（如Sulfitobacter）的共存中得到了证实。

浮游植物可以将部分光合产物转化为富含多糖的渗出物，形成称为“藻圈”的扩散性细胞外层[11]。在微环境中，浮游植物细胞的渗出物和裂解物为细菌提供碳或氮源，而细菌则提供微量元素（如铁）以及维生素（如VB₁、VB₁₂）来支持浮游植物的生长[12]，[13]。值得注意的是，VB₁₂的生物合成仅限于原核生物，只有大约30%的海洋细菌具备这种代谢能力[14]。这种有限的供应驱动了VB₁₂生产原核生物与辅助营养型真核生物之间的强制性相互作用[5, 16–18]。例如，依赖VB₁₂的Thalassiosira pseudonana - Ruegeria pomeroyi DSS-3共生关系展示了双向的碳-维生素交换，表明维生素供应[18]，[19]可能是营养胁迫下维持浮游植物群落的普遍策略。尽管有一些研究探讨了VB₁₂在促进E. huxleyi生长中的作用[9]，[14]，但具体负责供应这种维生素的微生物仍知之甚少。

本研究旨在确定在E. huxleyi藻圈中提供VB₁₂的关键细菌。通过16S rRNA基因扩增子测序分析藻圈微生物群组成，我们系统地描述了与E. huxleyi相关的细菌群落。进一步的宏基因组和比较基因组分析揭示了这些藻圈细菌的VB₁₂生物合成潜力，并通过VB₁₂定量进行了化学验证，以及通过藻-菌共培养实验进行了功能确认。最终，通过证明这些产生VB₁₂的细菌在海洋生态系统中的生态主导地位，本研究显著提高了我们对藻-菌合作如何维持海洋生产力和生物多样性的理解。

实验部分

Emiliania huxleyi的培养

外来Emiliania huxleyi菌株（CCMP1516）和无菌菌株（CCMP2090N）均购自Bigelow海洋科学实验室（国家海洋藻类和微生物组中心，https://ncma.bigelow.org/），并在L1-Si培养基中培养[22]。微藻培养物在MGC-300 A型光照培养箱（上海仪恒科学仪器有限公司，上海）中连续维持，光照/黑暗周期为12小时/12小时，温度为20°C，光照强度为150 μmol photons m^?2 s

Sulfitobacter细菌在外来E. huxleyi CCMP1516的藻圈中丰富，并可能产生VB₁₂

16S rRNA基因扩增子测序揭示了外来E. huxleyi藻圈中的微生物群结构，鉴定出九个细菌属（Muricauda、Winogradskyella、Sulfitobacter、Qipengyuania、Aestuariibacter、Alteromonas、Marinobacter和Maribacter）。这些优势属占整个群落测序读数的98.15%，包括Winogradskyella（47.99%）、Marinobacter（38.96%）、Muricauda（4.34%）、Aestuariibacter（4.16%）和Sulfitobacter（2.70%）（图1A）。

宏基因组分箱

讨论

通过整合藻圈微生物群组成分析、宏基因组和基因组功能注释以及藻-菌共培养实验，我们的结果表明，尽管Sulfitobacter在16S rRNA基因扩增子测序中的相对丰度仅占2.70%，但它却是藻类微环境中主要的VB₁₂生产者，并与宿主藻类建立了以维生素-碳交换为中心的高度特化的互惠关系。

结论

本研究揭示了Sulfitobacter在E. huxleyi藻圈中的VB₁₂生物合成能力，支持了一种高度特定的营养共生关系，重新定义了我们对藻类大量繁殖过程中微生物生态位划分的理解。通过整合多组学方法和功能验证，我们证明了维生素辅助营养性驱动了这些生物之间的强制性依赖关系，VB₁₂交换是维持贫营养海洋中藻类优势的关键机制。

CRediT作者贡献声明

江南茜：撰写——原始草稿、可视化、研究、数据管理。杨晓宇：撰写——原始草稿、可视化、研究、数据管理。蔡润林：软件、方法学。蔡观静：撰写——审稿与编辑、软件、方法学。王慧：撰写——审稿与编辑、监督。

伦理声明

本文不包含任何涉及人类和动物的研究。

未引用参考文献

[16], [17], [21], [24]

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文报告工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

本研究的资金由广东省科学技术厅（2022B1515020017）和国家自然科学基金（42476122, 42306131）提供。