任南琪院士团队谢国俊课题组ES&T封面：亚硝酸盐依赖型厌氧甲烷氧化细菌的生态位分化机制

近日，任南琪院士团队谢国俊课题组与重庆大学陈一课题组合作在环境领域著名学术期刊Environmental Science & Technology上发表了题为“Microbial Niche Differentiation during Nitrite-Dependent Anaerobic Methane Oxidation”的封面论文。

亚硝酸盐依赖型厌氧甲烷氧化（n-DAMO）已被证明在全球甲烷和氮循环中发挥重要作用。然而，尽管在环境中广泛检测到不同的n-DAMO细菌，但对其微生物生态位分化的生理机制知之甚少。该研究通过结合基因组学和动力学分析，在长期运行的生物膜反应器（MBfR）中观察到n-DAMO细菌的生态位分化现象。反应器MBfR-A和MBfR-B分别接种相同的n-DAMO富集培养物（培养物包含两种n-DAMO细菌：“Candidatus Methylomirabilis oxyfera”和“Candidatus Methylomirabilis sinica”），在低浓度NO₂^-进水条件下，MBfR-A反应器的n-DAMO细菌为“Candidatus M. oxyfera”，而以高浓度NO₂^-进水的MBfR-B的n-DAMO细菌为“Candidatus M. sinica”。转录组结果显示，“Candidatus M. oxyfera”在细胞趋化性、鞭毛组装和双组分系统具有更完整的功能，有助于其在寡营养条件下对NO₂^-的摄取；而“Candidatus M. sinica”具有更活跃的离子转运和胁迫响应系统，在NO₂^-还原方面具有更多的冗余功能，有助于缓解高浓度NO₂^-的抑制作用。“Candidatus M. oxyfera”和“Candidatus M. sinica”的NO₂^-半饱和常数（0.057 mM vs 0.334 mM NO₂^-）和底物抑制常数（0.932 mM vs 2.450 mM NO₂^-）响应组学结果推断的结论，证实n-DAMO细菌生态位分化机制，即细胞生化特性，特别是NO₂^-亲和性和抑制性共同决定了n-DAMO细菌的生态位分化。

该研究结合组学和动力学分析，更好地揭示了驱动n-DAMO细菌在物种水平上生态位分化的因素，同时也强调了n-DAMO细菌生理特性差异的内在机制，将有助于我们全面理解其作为重要甲烷汇的细胞生态学和微生物进化学。未来的研究工作应进一步考虑不同NO2-输入可能导致n-DAMO细菌的差异表型遗传现象。在与其共生的厌氧甲烷氧化古菌“Candidatus Methanoperedens nitroreducens”培养物中已观察到具有基因相同细胞表型变异的复杂生命周期。“Candidatus M. nitroreducens”培养物中的部分细胞在不同环境中能够向更有利的条件趋化，这是否意味着还存在一些环境因素驱动微生物在种水平上出现生态位分化尚不清楚。事实上，“Ca. M. oxyfera”和“Ca. M. sinica”也具有不同的细胞形态。因此，n-DAMO细菌是否也具有决定其生态位差异的多形性生命周期应需做深入的研究。此外，在解释微生物基因表达和生态系统模型时，应考虑细胞的表型变异。如果表型变异共性于自然环境中大多数具有生态位分化的微生物，那么微生物功能多样性的定义必须扩展到基因组之外。

实验室谢国俊教授为论文的通讯作者，重庆大学环境与生态学院弘深青年教师聂文博为第一作者。

本研究课题得到了国家科学基金委和中国博士后科学基金会的资助。

文章链接：https://doi.org/10.1021/acs.est.2c08094