《Applied and Environmental Microbiology》：Anoxia-adapted cyanobacteria in a marine blue hole
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本文报道了在南海永乐蓝洞（YBH）250米深处黑暗、缺氧水体中发现的、具有代谢活性的蓝细菌。通过宏基因组与宏转录组整合分析，研究揭示了这些蓝细菌与海绵共生蓝细菌“Ca. Synechococcus spongiarum”在进化上同源，但为适应缺氧、含硫环境形成了独特的基因组减缩与代谢保留模式。文章阐明了其在长期缺氧压力下的生态持续性机制（如保留苯丙氨酸合成能力、牛磺酸转运潜力），为理解海洋脱氧过程中微生物的进化适应性提供了重要案例。
在浩瀚海洋的深处，存在着一些神秘而极端的环境，例如位于中国南海西沙群岛的永乐蓝洞（Yongle blue hole， YBH）。这个垂直的海洋洞穴水体分层明显，在大约100米深度以下便进入永久的黑暗与缺氧区域，其深层水体富含甲烷和硫化物，是研究微生物在极端条件下生存与进化的天然实验室。以往，蓝细菌这类古老的光合原核生物被认为是海洋表层初级生产的关键贡献者，但近期一项突破性研究发现，在永乐蓝洞250米深的黑暗缺氧水层中，竟然存在着活跃转录的蓝细菌。这一发现挑战了我们对蓝细菌生态位的传统认知，并揭示了一种独特的、介于自由生活与共生生活之间的微生物适应策略。
缺氧水体中活跃的蓝细菌基因组
研究团队于2021年4月和9月，使用原位微生物固定过滤装置（ISMIFF）在永乐蓝洞21个不同深度分层采集了水样，进行了宏基因组和宏转录组测序。通过对海量数据的组装与分箱，最终从宏基因组中获得了三个隶属于聚球藻属（Synechococcus）的宏基因组组装基因组（metagenome-assembled genomes， MAGs），分别命名为bin111、bin48和bin49。其中，bin111主要分布在有光、富氧的上层水体（1-40米），因此被称为Oxic-bin111；而bin48和bin49则在250米深的缺氧层中丰度最高，并在此深度显示出显著的转录活性，因此被定义为缺氧适应型蓝细菌（Anoxic-bin48和Anoxic-bin49）。
这张图清晰地展示了这三种蓝细菌基因组在永乐蓝洞水柱中的分布差异：富氧的bin111主导上层水体，而两个缺氧适应型基因组则在深层缺氧水中繁盛，其宏转录组数据进一步证实了这种生态位特异的表达模式。
与海绵共生蓝细菌的同源进化关系
为了探究这些缺氧蓝细菌的起源，研究者进行了系统基因组学分析。结果显示，Oxic-bin111与红海等地的自由生活聚球藻亲缘关系更近；而Anoxic-bin48和Anoxic-bin49则在进化树上紧密簇拥在一起，并且与来自南海海绵宿主（如Theonella swinhoei）的共生蓝细菌“CandidatusSynechococcus spongiarum”（特别是M9菌株）最为接近。平均核苷酸一致性（ANI）分析也支持了这一结论，两个缺氧适应型基因组与“Ca. S. spongiarum M9”的ANI值分别达到86.8%和86.9%。
这张系统发育树直观地展示了三个研究基因组在蓝细菌中的分类定位，特别是两个缺氧适应型基因组与海绵共生菌株的紧密聚类。
功能基因的聚类分析（基于COG数据库注释）进一步表明，这两个缺氧适应型蓝细菌与海绵共生蓝细菌在功能特征上更为相似，而与自由生活的蓝细菌存在明显分化。
主坐标分析图显示了基于生态生活方式的清晰分离。综合这些证据，研究者认为永乐蓝洞缺氧层的蓝细菌很可能与海绵共生蓝细菌“Ca. Synechococcus spongiarum”拥有一个共同的祖先，但在漫长的地质年代中，它们脱离了海绵宿主，进入了蓝洞的黑暗缺氧环境，并为此进化出了一套独特的适应机制。
趋同于共生菌的基因组减缩与功能丧失
与自由生活的近亲相比，缺氧适应型和海绵共生型蓝细菌表现出明显的基因组减缩趋势，并因此丧失了一系列与环境压力响应和复杂底物利用相关的功能。例如，它们普遍缺失几丁质降解通路的关键基因（如chiA, nagK, nagB），这表明它们放弃了利用这种常见海洋多糖的能力。同样，甘油呼吸途径的关键基因（glpK, glpD）、甲硫氨酸回收途径（mtnA, mtnB, mtnD）以及维生素B6合成基因（pdxH）也仅存在于自由生活谱系中。这一系列功能的丧失暗示，缺氧/共生蓝细菌可能更多地依赖从环境中获取这些必需物质。
更值得注意的是，一系列应对环境压力的基因在缺氧适应型蓝细菌中缺失了。这包括：
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抗氧化应激基因：如超氧化物歧化酶、谷胱甘肽过氧化物酶、过氧化物应激调节子和铁摄取调节蛋白的编码基因，它们在自由生活蓝细菌中广泛存在，但在缺氧型中缺失。这很可能是因为在黑暗缺氧环境中，由光合作用和有氧代谢产生的活性氧物种大幅减少，导致维持这些防御机制的选择压力消失。
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细胞包膜成分合成基因：L-鼠李糖是自由生活海洋聚球藻脂多糖O抗原的组分，可能与宿主识别或噬菌体抗性有关。海绵共生蓝细菌通常缺失完整的鼠李糖合成通路，以避免被宿主识别。本研究的缺氧适应型蓝细菌也仅保留了一个鼠李糖合成相关基因，模式与共生菌相似。
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渗透压适应基因：如大电导机械敏感通道基因（mscL）和 glucosylglycerol 合成相关基因，在蓝洞这种盐度相对稳定的半封闭水体中，这些适应渗透波动的基因变得不再必需。
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DNA修复基因：应对紫外线损伤的光解酶（phrB）和跨损伤合成酶（umuCD）基因，在永暗环境中自然失去了作用。
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昼夜节律调控基因：核心生物钟组件kaiA基因在所有自由生活谱系中存在，但在缺氧和共生谱系中缺失。光信号的永久缺席很可能驱动了这种昼夜节律调控机制的丢失。
此外，与防御有害化合物相关的紫精转运蛋白基因（evrABC）以及多药外排泵基因也仅在自由生活谱系中检出。这些功能的集体丧失，共同描绘出一幅“精简”的基因组蓝图：生物体放弃了在稳定、受庇护的（无论是海绵体内还是蓝洞深水）环境中非必需的功能，将资源集中于核心生存代谢。
保留自养代谢潜力与独特的代谢保留
尽管经历了基因组减缩，这些缺氧适应型蓝细菌并未完全退化为依赖型共生体。基因组分析揭示了它们保留了一系列关键的、通常与自由生活相关的代谢自主性特征。
首先，所有分析的蓝细菌基因组，包括缺氧适应型，都完整保留了卡尔文-本森-巴斯汉循环（Calvin-Benson-Bassham cycle）和光合作用所需的核心基因簇（如光系统I和II、释氧复合物蛋白基因）。然而，宏转录组数据给出了关键信息：在黑暗缺氧的现场条件下，大多数光合作用相关基因处于转录沉默状态，仅在100米深度（缺氧带上界）检测到个别基因（如psbA）的有限转录。同样，有氧呼吸相关的末端氧化酶基因（coxABC, cyoABC）和固氮基因簇（nifHDK）虽然存在于基因组中，但在缺氧型蓝细菌中没有检测到转录活性。这表明，这些氧依赖的代谢潜力在基因组中被“封存”了起来，可能是作为在环境条件可能发生改变时的进化遗产或备用方案。
其次，也是更具特色的，是它们保留了一些在共生谱系中通常缺失的、支持代谢自主的途径：
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苯丙氨酸生物合成：研究发现，两个缺氧适应型基因组（Anoxic-bin48和Anoxic-bin49）分别保留了将分支酸转化为苯丙氨酸途径中的关键基因pheA2（预苯酸脱水酶）和hisC（组氨醇磷酸氨基转移酶），这使它们具备了自主合成这种必需氨基酸的潜力，而大多数海绵共生蓝细菌缺乏此能力。
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磷酸丝氨酸代谢：Anoxic-bin48中检测到磷酸丝氨酸磷酸酶编码基因，该基因参与不依赖光的丝氨酸生物合成，在共生谱系中通常不存在。
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牛磺酸转运潜力：基因组中含有编码牛磺酸转运蛋白TauABCE的基因，暗示其可能具备从环境中摄取这种海绵中常见的有机硫化合物的能力。不过，负责牛磺酸分解代谢的基因（如tauD）并未被识别，其摄取牛磺酸后的具体利用途径尚不明确。
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独特的铁获取机制：与海绵共生菌类似，缺氧适应型蓝细菌拥有特异的铁获取基因（如irtA和编码铁复合体外膜受体的基因），这可能是在铁可利用性不同的缺氧/共生环境中趋同进化的结果。
这张热图全面地展示了34个蓝细菌基因组中功能基因的分布情况，清晰地揭示了不同谱系之间代谢途径保留与丢失的模式差异。
结论：一种介于自由生活与共生之间的独特适应模式
综上所述，永乐蓝洞缺氧层中的蓝细菌展现了一种混合型的基因组特征。它们在系统发育和部分功能特征（如基因组减缩、应激响应基因丢失、真核样蛋白结构域如Fn3的富集）上与海绵共生蓝细菌相似，提示其可能源于一个共生祖先。然而，它们又保留了苯丙氨酸合成、磷酸丝氨酸代谢等关键的代谢自主性特征，这与大多数专性共生体不同。这种独特的基因组构型，使其能够在这个永久黑暗、缺氧、富硫化物的特殊海洋生态位中长期存续。
这张代谢重建网络图，通过比较不同环境中聚球藻基因组的KEGG基因分布，系统总结和可视化自由生活型与海绵共生/缺氧适应型蓝细菌在核心代谢网络上的异同。
这项研究不仅首次通过宏转录组证据证实了蓝细菌在海洋永久黑暗缺氧水体中的活性存在，更重要的是，它揭示了一种微生物通过靶向性基因组精简与关键代谢保留来适应极端环境的进化策略。随着全球气候变化导致海洋脱氧区域的扩大，理解微生物在缺氧压力下的适应机制变得愈发重要。永乐蓝洞中的这些缺氧适应型蓝细菌，为研究海洋脱氧过程中微生物的生态持续性、进化适应以及新物种的产生潜力，提供了一个极具价值的研究案例。它们的存在和独特的生存之道，或许预示着在未来氧气含量变化的海洋里，某些微生物类群可能拥有的竞争优势。
