科技日报---认识呼吸硝酸盐而不是氧气的微生物
2025-03-02 11:11阅读：1,125
关键词：共生体、微生物、硝酸盐、呼吸
题记：微生物的世界充满了神奇，其中个个有绝技，它们的生存技能和智慧令人类汗颜。在没有氧气的环境中也能生存的很好，这一点令人类匪夷所思。不仅如此，它们在处理周围的关系时，更显得聪明智慧。它们非常清楚互利共赢的关系并能维系得良好。“科学家们发现了一种非凡的新型共生形式，一种生活在单细胞生物体（纤毛虫）内并为其提供能量的细菌。与使用氧气的线粒体不同，这种微生物通过呼吸硝酸盐为宿主提供能量。”
最初发现的内共生菌“Candidatus Azoaticus
ciliaticola”及其纤毛宿主的图示。该图是扫描电子显微镜图像（SEM，灰色）和荧光图像的合成。可见食物液泡中的内共生体（黄色）和细菌猎物以及大细胞核（蓝色）。弱荧光纤毛的外部结构以及纤毛也是可见的。图片来源：S.Ahmerkamp/Max
Planck海洋微生物研究所
科学家们发现了一种非凡的新型共生形式，一种生活在单细胞生物体（纤毛虫）内并为其提供能量的细菌。与使用氧气的线粒体不同，这种微生物通过呼吸硝酸盐为宿主提供能量。
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最初发现于淡水湖中，研究人员着手确定这些微生物的分布范围。令他们惊讶的是，他们在世界各地的不同环境中发现了它们，从湖泊和地下水到废水。这一发现挑战了我们对微生物伙伴关系的理解，并揭示了这些微生物如何在全球生态系统中发挥隐藏但重要的作用。
共生新发现
2021年，德国不来梅马克斯·普朗克海洋微生物研究所的科学家们取得了一项了不起的发现：一种独特的细菌生活在纤毛虫（一种单细胞真核生物）体内，并为其提供能量。这种共生关系类似于线粒体在细胞中的作用，但有一个主要区别：这种内共生体不使用氧气，而是通过呼吸硝酸盐来产生能量。
为了更好地了解这些不寻常微生物的分布和多样性，不来梅的研究人员扩大了他们的研究范围。目前，布雷曼的研究人员开始更多地了解这些奇特共生体的环境分布和多样性。“在我们首次在淡水湖中发现这种共生体后，我们想知道这些现象在自然界中有多普遍，”马克斯·普朗克海洋微生物学研究所的Jana
Milucka解释道。“它们是极其罕见的，因此躲避了这么长时间的探索吗？还是它们在其他地方，如果是这样，它们的代谢能力是什么？”
全球居民
为了找到答案，科学家们搜索了大量的公共测序数据库，其中包含来自各种环境样本的遗传数据。他们的发现令人惊讶：这些共生体出现在大约1000个不同的数据集中。米卢卡说：“我们很惊讶它们有多普遍。我们可以在每个合适居住的陆地找到它们。”“此外，我们了解到，它们不仅可以生活在湖泊和其他淡水栖息地，还可以生活在地下水甚至废水中。”
遇见新科成员：新成员玩新把戏
科学家们不仅发现了这些数据集中的原始共生体，还发现了一些新的密切关系。“我们最终确定了四个新物种，其中两个物种共同构成了一个新属。由于这个新属的共生体可能与最初被发现的Azoaicus（名字的意思是“Nitrogen
friend”）具有相似的作用，我们将这个新属命名为Azosocius（“Nitrogen-as-ci”），第一位作者Daan
Speth解释说。“幸运的是，在离布雷门不远的地方，从格尔曼海尼奇的一个地下样本中发现了一种新的亚速子物种。”
持续进化的能力：令人惊讶的氧气联系
日前，科学家们想更深入地挖掘这些新物种的生活。由于与耶拿弗里德里希·席勒大学的Kirsten
Küsel和Will
Overholt的合作，Germany首次收集了Hainich样本，他们能够访问采样点并研究元转录组学数据，即描述样本中基因表达和微生物活性的数据。
Speth
continues说：“在这里，我们面临着另一个惊喜，即这些共生体可以创造新的技巧。”与原始共生菌不同，它们只能进行厌氧呼吸（即反硝化），所有新的共生菌都会编码一种终端氧化酶，这是一种酶，使它们除了氮气之外也能呼吸氧气。“这可以解释为什么我们在完全或部分有毒的环境中也发现了这些共生体。”
进化和生态意义
这些结果现在发表在《自然通讯》杂志上，回答了科学家们关于共生体生物地理学的开放性问题。“多亏了这些新物种的发现，我们现在也可以开始更多地思考它们的演变，”Milucka展望未来。“我们希望完全了解这些有益的共生关系是如何产生的，以及它们如何随着时间的推移而演变。”
此外，这项研究还有一个生态学方面：Speth补充道：“通过反硝化，这种共生现象改善了他们各自习惯的氮循环，并有可能转移氮氧化物等营养物质，同时产生氮氧化物等温室气体。”
微生物共生奇迹
最后但并非最不重要的一点是，对有趣的微观世界之简单评价。“这种微生物是自然的一个奇迹，”米卢卡说。“原生生物能够进行这种惊人的代谢创新，这是因为它们经常时刻准备与原核生物互动。对我来说，这只是令人惊叹的。当谈到理解真核生物的演变时，这些微生物则是拼图中的一个重要部分。”
