海洋稀有微生物研究獲重要進展

近日，南方海洋科學與工程廣東省實驗室（廣州）海洋分子微生物學與基因資源研究團隊聯合中國科學院微生物研究所、深圳大學和廈門大學，在海洋稀有微生物研究方面取得重要進展。相關成果發表于《細胞報告》（Cell Reports）。

D14^T菌株的電子顯微鏡圖片。研究團隊供圖

自然界中廣泛存在一類稀有微生物，它們遍布各類環境，但豐度極低且難以人工培養。越來越多研究表明，這類微生物在維持生態系統穩定性及驅動碳、氮、硫等生物地球化學循環中具有不可忽視的作用。長期以來，學界僅能通過基因測序推測其功能，無法證實其真實生理特性和生態角色，使其成為微生物研究的一大盲區。

在國家自然科學基金等項目資助下，研究團隊利用流式細胞分選結合單細胞高通量培養技術，有效規避傳統培養中稀有菌株被優勢菌群淘汰的問題，實現了稀有微生物的純培養及系統性實驗研究。團隊從西北印度洋4213米深海的水-沉積物界面樣品中分離獲得一株稀有細菌，并命名為新細菌科——Metabolovariaceae（代謝多變菌科）的新屬新種——Metabolovarius oceani（海洋代謝多變菌）D14^T。這一成果結束了該類群僅存在于宏基因組數據中的歷史，為該類群的生理生態研究提供了珍貴的實體模式菌株。

基因組分析顯示，該稀有細菌具備較少見的“全能代謝能力”。其基因組編碼了完整的二氧化碳固定途徑（卡爾文-本森-巴薩姆循環）、反硝化途徑、硫代硫酸鹽氧化途徑以及聚羥基脂肪酸酯（PHA）合成途徑等多條關鍵代謝通路，同時能利用多種有機碳源生長。全球參考基因組比對（超20萬株）表明，僅0.09%的微生物基因組同時攜帶上述18個關鍵代謝標志基因。

后續生長實驗、同位素示蹤實驗及電子顯微鏡觀察進一步證實：該菌不僅能在好氧條件下以硫代硫酸鹽為電子供體驅動二氧化碳固定實現自養生長，還能在厭氧條件下利用硫代硫酸鹽進行硝酸鹽還原，表現出硫驅動自養反硝化能力。此外，在富碳條件下，菌體內可形成PHA顆粒，表明其具備碳源儲存與調節能力。這種多元化的代謝體系可能賦予其比普通深海微生物更強的生存韌性。

生態大數據也佐證了該菌極強的環境適應性。在全球宏基因組數據庫樣品溯源中，該細菌類群分布于700余個樣品，覆蓋從極地到熱帶的廣闊區域，來源包括海洋（海溝至沿海生物膜）、淡水、土壤、地下水、生物膜及污水處理系統。在80%的環境樣品中，其相對豐度低于0.1%；僅在3個地點（共9個樣品，如活性污泥、生物膜、軟體動物）中相對豐度大于1%，提示厭氧且富含氮硫的環境是其偏好棲息地。

該研究發現了一個全球分布但長期未被充分認知的α-變形菌分支，拓展了對其功能與分類多樣性的認識。深海分離株D14^T充分展現了稀有微生物類群所蘊含的代謝潛力。后續針對Metabolovariaceae的生態功能、種群動態及代謝調控網絡展開深入研究，將有助于更全面地認識稀有微生物在深海生境及工程系統中的功能價值。

相關論文信息：https://doi.org/10.1016/j.celrep.2026.117671