文 | 玉惜品诗
编辑 | 玉惜品诗
«——【 ·引言· 】——»
毛滴虫是一种全球分布的蓝藻，其固氮能力为温暖的寡营养海洋的初级生产提供动力，像许多光自养生物一样，滴虫是各种其他微生物的宿主。
本次研究中，我们利用宏转录组学来检查与红藓毛滴虫（菌株IMS101）相关的微生物群落的基因表达活性，使用实验室维护的富集培养物，这些培养物先前已被证明含有与自然种群相似的微生物群落。
实验中都检测到参与硝酸盐，亚硝酸盐和一氧化二氮还原的社区转录物，这表明相关生物可能在菌落水平的氮循环中发挥作用，固氮蓝藻将大气中的氮气转化为可利用的氮源，为海洋生态系统中其他生物提供了重要的营养物质。
①
«——【 ·转录谱浓度· 】——»
本研究中使用的培养物先前从一个IMS101细胞系中分离出来，并在两个CO2浓度（低[环境380至400μatm]和高[800μatm]）约8年。
培养菌株IMS101通常以单个细丝（数百个细胞的宏观毫米长链）的形式生长，而不是聚集的菌落。在开阔的海洋中，已经观察到大多数（>80%）的总毛滴虫生物量以细丝而不是菌落的形式存在。
这种丝状的生活方式可能在更偶发性（但更频繁采样）的绽放事件之间维持毛滴虫的广泛基线分布，毛滴虫的丝状和殖民形态都拥有相似的主导微生物群落。
这些增加的速率并没有伴随着相关转录本或蛋白质的增加，即基因表达水平，甚至蛋白质产物的水平，只能告诉我们它们各自的水平，可能会也可能不会反映在实际的生理和生物地球化学反应中。
转录组学和蛋白质组学是产生假设而不是确认假设的有用工具，这些富集培养物的深度宏转录组测序（约95万次读取/样品）能够研究IMS101相关微生物群落的转录活性。
作为菌株IMS101的富集，回收的总RNA库以毛滴虫为主，毛滴虫是总读数约75%的来源，测序深度平均回收了仅来自相关社区的每个样本约15万次读取。
从这些培养物中回收的多个宏转录组进行了从头共组装，随后将鉴定的编码序列（CDS）用作我们的参考库，从每个单独的样品中招募宏转录组读数并进行蛋白质组学分析，在仅来自IMS45相关群落的101个CDS中。
绝大多数CDS被鉴定为细菌来源（93%），唯一可用的环境滴虫宏转录组，这些特定培养物和其他实验室维护的环境样品的分析一致，我们的从头参考库以主要细菌类群拟杆菌、蓝藻、α变形杆菌和伽马鱼杆菌。
正如之前报道的那样在这些广泛的分类分支中，种群不同于典型的浮游微生物群落，包括明显缺乏主要分类群，如SAR11和任何古菌。
利用这个定制的参考库，我们采用了两种不同的方法来表征这些IMS101相关群落中的基因表达，我们对毛滴虫作为一个集体单位的功能分析了全球宏转录组，这使得能够全面评估哪些主要的代谢活动可能最终影响宿主的微环境。
尽管宿主占主导地位的相对丰度，但所采用的宏转录组测序的深度能够对相关群落的转录活动进行详细分析，但蛋白质组学工作的主要重点是仅表征宿主的蛋白质组，由此产生的蛋白质组学覆盖率排除了对相关社区的全球蛋白质组的全面分析。
CDS样本读段募集的层次聚类和原理坐标分析都揭示了对应于每种治疗的全球社区转录活性的不同聚类，直系同源物（[KOs] 50）进行了功能注释，这导致将大约14000个CDS分配给KO（约占总数的30%）。
为了检查相关群落在其宿主背景下的活动，从综合微生物基因组（IMG [101]）中检索IMS51的基因并以相同的方式进行处理，这一观点揭示了一个总体趋势，即在低 CO2，相关群落更均匀地将其转录库分布在广泛的模块中，而IMS101的转录分配主要投资于氮代谢和光合作用。
与此形成对比的是，在高 CO2，整个群落将相对更多的转录本分配给较少数量的过程，例如光合作用，ATP合成和氧化磷酸化（可能表明生长速率和/或整体群落活性增加），氮代谢的这种转变直接是由一氧化碳升高下宿主氮酶转录物的显着降低直接驱动，这实际上与如上所述测得的固氮速率显着增加相吻合。
鉴于毛滴虫作为固定氮的来源的重要性，以及缺乏关于其永久存在的相关群落在这一过程中的作用的信息，我们专门研究了在我们的宿主和相关群落中参与氮循环的已知初级基因。
检测到异化硝酸盐/亚硝酸盐还原的转录物（narG-nirB），以及反硝化的最后一步（nosZ），其催化一氧化二氮（N2O） 成 N2 ，预计这些基因的表达仅在氧气耗尽的条件下被诱导。
这种厌氧N转化最近已被证明发生在另一种海洋蓝藻重氮菌结节菌的相关群落中，并且它们也被提出发生在毛滴虫菌落内。
由于这种微环境，兼性厌氧菌被认为在颗粒相关生活方式方面具有优势，O2浓度在从明到暗的毛滴虫菌落内经历从过饱和到过饱和的快速变化（在几分钟内）。
有利于这种N转化的厌氧微环境的产生也可能发生在胞外多糖基质中，其产生似乎是我们系统中的一个活跃过程，但尚不清楚这些检测到的群落N降低表达水平是否仅仅是由于它们的组成表达。
②
«——【 ·不同生态位的转录· 】——»
关于一氧化碳2治疗，作为一个整体，相关社区的全球N相关转录谱，与 CO 升高下宿主 N 固定率增加一致，铵转运转录本在相关群落中显著增加，但在高CO下，毛滴虫的丰度较低。
在相关群落中也显著富集，但在高 CO 的宿主中也显著富集2治疗是谷氨酰胺生物合成（glnA）的转录物，谷氨酰胺生物合成是将新氮纳入生物质的主要途径之一，这些群落变化可能反映了生长速率或整体细胞代谢的相应增加，响应固定氮供应的可用性增加。
在高CO下将其转录本的比例显着增加用于这些过程，群落呼吸增加可能导致微环境O2含量降低浓度，从而降低有效 O2抑制固氮酶，并最终促进在 CO 升高下一致观察到的 IMS101 N 固定率增加。
较高呼吸速率的一个潜在相关特征是增长率增加，虽然没有办法通过可用的宏转录组数据直接量化与我们的IMS101富集相关的分类群的生长速率，但核糖体蛋白的转录投资（即总转录本库的转录本比例）已被证明与生长相关，并已被用作宏转录组学数据中活性的定量指标。
对我们的主要相关细菌分支的分析确实揭示了在CO升高下更大比例的核糖体转录本2 (无花果，这一发现，以及谷氨酰胺合成转录本的增加，表明生长速率的增加可能与CO增加下呼吸转录物的富集相关。
由于源自叶绿体和线粒体的混杂核糖体转录物过多，因此在这种核糖体蛋白分析中没有考虑真核生物。
在研究各种系统发育组对水生环境中溶解有机物（DOM）多种环境的降解的相对贡献时，虽然没有一个单独的主要分类单元可以代谢所有形式的DOM，但仅由三个组的代表组成 - 拟杆菌，α变形杆菌。
这是因为即使在这种相对广泛的分类分辨率水平上，这些分支仍然存在明显的区别特征，并且很可能这些差异最终是独特的生态角色的基础，这些角色不仅在毛滴虫联盟内，而且粘附在颗粒和藻类中，使这些主要分类群能够和鼓励共存。
我们将这些组与蓝藻进行了对比，方法是将单个分类单元CDS折叠成KO，并标准化为该分类单元的功能注释转录本总数，层次聚类和排序都揭示了分类群的明确分组，当CDS被分组到KEGG模块中时，这种分离背后的许多主要驱动力变得明显。
这些分析为开始阐明这些主要分类群在毛滴虫联盟中的一些不同作用奠定了基础，虽然目前的工作集中在毛滴虫上，但由于正在考虑的分辨率水平上的功能冗余，这里描述的这些主要分类群的区别也可能与其他光自养 - 异养生物相互作用有关。
«——【 ·结论· 】——»
对海洋微生物环路的研究重点正在从个体物种转向整体微生物群落，这对于了解海洋表层的全球生物地球化学循环和支持大部分海洋食物链至关重要，在海洋环境中，能够共同降解大部分溶解有机质的少数几个主要分类群，并且始终与蓝藻细菌等光合自养生物共存，这很可能不是巧合。
实验结论表明，这项研究的实用性在于提供了对海洋微生物群落的整体认识，并揭示了它们在全球生物地球化学循环中的重要作用，对于改善我们对环境中重要元素循环的认识，并为海洋生态系统的保护提供数据判断基础。
参考文献：
戈布勒，哈钦斯，《世界海洋中的固氮》
莫菲特，沃尔沃斯，《滴虫种群磷和铁生理学的分子评估》
艾希纳，费舍尔，《毛滴虫培养物中二氮和铵支持生长的铁需求》