氨氧化与难降解碳降解驱动深海海绵共生体群落混合营养生长

《Microbiome》：Ammonia oxidation and recalcitrant carbon degradation fuel mixotrophic growth in the symbiont community of a deep-sea sponge

　　

海绵是浅海底栖生态系统的重要成员，常依赖微生物共生体获取有机或无机碳。深海同样分布有海绵，但其与共生体的代谢互作机制仍待深入探索。研究人员联合宏基因组学、宏转录组学与稳定同位素标记技术，解析了深海海绵Calyx sp.的微生物群落代谢活性。结果显示，总微生物丰度的约84%由9个异养门组成，剩余16%为两类自养氨氧化古菌（AOA）。宏转录组分析表明，藻源难降解多糖的降解基因呈高水平表达，提示海洋雪中未被降解的部分为该深海全生物体（holobiont）提供营养来源。此外，自养类群中存在活跃的氨氧化与碳固定通路；离体培养实验结合标记碳酸盐显示，该全生物体每年每克干重可固定13.67 mg CO2。本研究揭示了深海海绵微生物组的混合营养生活方式，拓展了寡营养深海环境中海绵-微生物共生机制的认识。

该研究聚焦深海海绵Calyx sp.的共生微生物代谢策略，针对当前深海海绵-微生物代谢互作机制认知不足、缺乏复杂共生体系中自养贡献定量评估的研究缺口，通过多组学与同位素示踪联用技术，系统解析了该海绵全生物体的碳获取模式。研究人员发现，该海绵共生体系由异养与自养微生物共同构成，前者主导难降解多糖与烃类的降解，后者通过氨氧化偶联的3-羟基丙酸/4-羟基丁酸（3HP/4HB）循环等途径实现无机碳固定，离体实验量化得到年固碳速率为13.67 mg CO₂/g干重。这一发现突破了以往对深海海绵仅依赖异养摄食的认知，证实其可通过混合营养策略适应寡营养深海环境，为理解深海生物地球化学循环提供了新视角。相关研究发表于《Microbiome》。

为开展研究，研究人员于2021年9月在巴西Campos盆地827 m深海域采集3个Calyx sp.个体，采用无菌操作分部位取样并液氮速冻；通过16S rRNA基因扩增测序、宏基因组组装获得微生物宏基因组组装基因组（MAGs），结合宏转录组分析基因表达谱；同时开展离体¹³C-碳酸氢盐孵育实验，利用稳定同位素比值质谱测定固碳速率。

研究结果分为以下部分：

Metagenome-assembled genomes from deep-sea Calyx sp. samples：从样品中获得142个MAGs，其中91个完整性>80%、污染率<5%，涵盖14个门。优势类群为绿弯菌门（Chloroflexota，占测序读段22.75%）、酸杆菌门（Acidobacteriota，10.19%）与放线菌门（Actinomycetota，10.12%）；氨氧化古菌Nitrosopumilus属占总微生物丰度的16%，为群落核心自养类群。

Carbohydrate metabolism of the microbial community of Calyx sp.：碳水化合物活性酶（CAZyme）转录分析显示，多糖裂合酶（PL）主要表达于迟滞菌门（Latescibacterota）与候选门Poribacteria，负责降解褐藻胶、石莼聚糖等藻源难降解多糖；糖苷水解酶（GH）与碳水化合物酯酶（CE）广泛分布于多门类群，参与纤维素、半纤维素及宿主源几丁质等化合物的降解。

Hydrocarbon metabolism of the microbial community of Calyx sp.：烃类降解基因表达集中于脱卤球菌纲（Dehalococcoidia），涉及卤代烷脱氢、烷烃磺酸单加氧等通路，多数通路不完整，提示可能存在跨类群的互养式降解；部分基因可能兼具解毒功能，以应对采样区石油勘探相关的烃类暴露。

Autotrophic metabolism in the microbial community of Calyx sp.：10个MAGs具备碳固定潜力，包括Nitrosopumilus属的3HP/4HB循环、硝化螺旋菌纲（Nitrospirales）的反向三羧酸（rTCA）循环、γ-变形菌与α-变形菌的卡尔文-本森-巴斯汉姆（CBB）循环，部分类群还存在3-羟基丙酸（3HP）途径的关键酶。

The Calyx sp. microbiome during aquarium acclimation：3个月水族箱驯化后，Nitrososphaeria与Nitrospiria类群相对丰度显著下降，Dehalococcoidia减少，同时出现拟杆菌纲（Bacteroidia）、梭菌纲（Clostridia）等异养类群；但Nitrosopumilus仍维持氨氧化与碳固定基因的高表达，驯化后固碳速率可视为原位水平的保守估计。

Ex situ carbon fixation in the Calyx sp. holobiont：¹³C标记实验显示，孵育6小时固碳速率为0.32±0.01 μmol ¹³C/mmol C_org（11.07±1.98 μg C/g干重/天）；宏转录组证实驯化样本中amoB表达下调，3HP/4HB循环相关基因表达降低，提示离体条件可能抑制自养活性。

讨论部分指出，寡营养深海的溶解有机物多为难降解形式，Calyx sp.共生体通过异养降解适配这一特征，同时依赖AOA的自养固碳补充碳需求，形成混合营养策略。与浅海海绵依赖光合共生体不同，该体系的自养贡献由化能合成驱动，拓展了海绵营养模式的多样性认知。研究结论强调，该发现揭示了深海海绵在碳循环中的双重作用——既通过异养作用转化难降解有机物，又通过自养作用将无机碳转化为有机碳，未来需进一步量化其对深海碳通量的具体贡献。