Nature | 根瘤菌-硅藻共生体为海洋固氮？

生命的智慧 · 公众号 · 科技自媒体 · 2025-01-11 21:39

主要观点总结

文章介绍了非蓝藻固氮共生体在海洋氮循环中的新发现，详细描述了这种共生体的组成、特点、分布及在全球海洋生态系统中的普遍性和重要性。该发现改变了对海洋氮循环的认知，揭示了海洋氮循环机制的复杂性和多样性。

关键观点总结

关键观点1: 研究背景

文章介绍了海洋氮循环的研究背景，指出氮作为生命必需元素在海洋生态系统中的重要性，以及固氮过程对海洋生态系统平衡和繁荣的关键作用。长期以来，科学家们普遍认为海洋中的氮固定主要由蓝藻完成，然而，非蓝藻细菌和古菌中广泛存在的固氮基因暗示了可能存在其他未被揭示的氮固定机制。

关键观点2: 新发现：非蓝藻固氮共生体

文章报告了一种新型固氮共生体的发现，该共生体由一种非蓝藻的根瘤菌“Candidatus Tectiglobus diatomicola”和硅藻宿主形成紧密的共生关系。这种共生体在热带北大西洋的探险中被发现，具有高效的固氮能力，是海洋氮循环的新认知。

关键观点3: 研究结果

研究发现该固氮共生体的基因组特性、基因转录和代谢相互作用。研究还通过同位素示踪和纳米尺度二次离子质谱技术，精准量化了共生体与宿主之间氮和碳的交换比例，并证明了两者在生长过程中的同步协调机制。此外，该共生体系广泛分布于全球主要寡营养海域，表明其在全球海洋生态系统中的普遍性和重要性。

关键观点4: 研究成果的影响和启示

研究成果深化了人们对海洋氮循环的认知，揭示了非蓝藻固氮微生物在海洋氮循环中的重要角色，改变了对海洋生产力驱动因素的认识，强调了微生物共生关系的重要性。这一发现对完善海洋氮循环模型、评估海洋生态系统对气候变化的响应以及探索更多未被发现的微生物共生体系具有重要意义。

正文

请到「今天看啥」查看全文

揭开谜团：非蓝藻微生物中的隐藏固氮途径

图2 固氮酶基因相关微生物分类

长期以来，科学家们普遍认为海洋中的氮固定主要由蓝藻完成。然而，海洋中那些广泛存在于非蓝藻细菌和古菌中的固氮基因，却仿佛是一个个未解的谜团，暗示着可能存在其他被我们忽视的氮固定途径。

1.3

非蓝藻固氮共生体现身：揭开海洋氮循环神秘面纱

图3 固氮根瘤菌在陆地或海洋环境中与不同宿主的共生关系图

直到最近，在热带北大西洋的一次探险中，科学家们终于揭开了这层神秘的面纱。他们发现了一种非蓝藻的固氮共生体——“Candidatus Tectiglobus diatomicola”，它与硅藻宿主形成了紧密的共生关系，宛如一对默契的舞伴，在海洋氮循环的舞台上翩翩起舞。

新发现的主角：根瘤菌 - 硅藻共生体

二、研究结果

2.1

发现一种新型N2固氮根瘤菌

图4 “ Ca. Tectiglobus diatomicola” 及其宿主硅藻的系统发育分析

研究人员在热带北大西洋表层海水中检测到固氮速率可高达每天每升40纳摩尔氮（40 nmol N/(L·day)），该区域的固氮活动约占全球海洋固氮的20%。然而，进一步分析表明，蓝藻对这一高固氮速率的贡献仅占其中的一小部分。为了探寻其他潜在的固氮生物，研究团队利用宏基因组测序技术发现了非蓝藻类固氮微生物的存在，其中尤为突出的是一种名为gamma-A的固氮菌。分析显示，gamma-A的NifH基因仅存在于大于3 μm的颗粒组分中，这表明该固氮菌可能附着在大颗粒上，或与其他生命体形成共生关系。通过进一步的基因组测序，研究人员确定gamma-A实际上属于 根瘤菌目的α-变形菌 ，并将其暂时命名为 Ca. Tectiglobus diatomicola 。

图5 海洋中的根瘤菌-硅藻共生体系

进一步通过特异性荧光原位杂交技术，发现该固氮菌位于硅藻（ Haslea ）内部,确认 海洋中的根瘤菌-硅藻共生体系 。扫描电子显微镜（SEM）和共聚焦激光扫描显微镜图像可以直观呈现“ Ca. Tectiglobus diatomicola” 与硅藻宿主的共生状态，确定其位于硅藻宿主细胞内，且宿主细胞核附近通常有特定数量（如四个，分裂时可达八个）的共生体，同时展示了宿主细胞大小的变化范围，为研究两者之间的物理联系和相互作用提供了直接的形态学证据，即共生体在宿主细胞内的分布位置可能与其获取营养物质或与宿主进行物质交换的机制相关。

关键发 现 : 新发现了一株非蓝藻类固氮菌，命名为 Ca. Tectiglobus diatomicola，该固氮菌位于硅藻（ Haslea ）内部，确认海洋中存在根瘤菌-硅藻共生体系