探秘以硝酸鹽而非氧氣呼吸的微生物：它們無所不在

科學家們發現了一種非凡的新共生形式——一種生活在單細胞生物（纖毛蟲）內部並為其提供能量的細菌。與利用氧氣的線粒體不同，這種微生物透過呼吸硝酸鹽為宿主提供動力。最初在一個淡水湖中發現這些微生物後，研究人員便著手確定它們的分佈範圍有多廣。令他們驚訝的是，他們在全球各種不同的環境中都發現了這些微生物，從湖泊、地下水甚至到廢水中都有。這一發現挑戰了我們對微生物共生關係的理解，揭示了這些微小生物在全球生態系統中所扮演的隱藏但重要的角色。

2021年，德國不萊梅馬克斯普朗克海洋微生物研究所的科學家們有了一個非凡的發現：一種獨特的細菌生活在纖毛蟲（一種單細胞真核生物）內部並為其提供能量。這種共生關係與線粒體在細胞中所起的作用類似，但有一個主要區別：這種內共生體不是利用氧氣，而是透過呼吸硝酸鹽來產生能量。

為了更好地瞭解這些不尋常微生物的分佈和多樣性，不萊梅的研究人員擴充套件了他們的研究。馬克斯普朗克海洋微生物研究所的雅娜·米盧卡解釋說：「在我們最初在一個淡水湖中發現這種共生體後，我們想知道這些生物在自然界中有多普遍。它們是極其罕見，所以長期以來一直未被發現？還是它們存在於其他地方，如果是這樣，它們的代謝能力如何？」

為了找到答案，科學家們搜尋了包含各種環境樣本遺傳資料的大型公共測序資料庫。他們的發現令人驚訝：這些共生體出現在大約1000個不同的資料集中。米盧卡說：「我們很驚訝它們如此普遍。我們在每個有人居住的大陸都能找到它們。」此外，我們瞭解到它們不僅可以生活在湖泊和其他淡水棲息地，還可以生活在地下水甚至廢水中。

科學家們在這些資料集中不僅發現了最初的共生體，還發現了一些新的近親。第一作者達恩·斯佩思解釋說：「我們最終鑑定出了四個新物種，其中兩個實際上構成了一個新屬。因為這個新的共生體屬可能與最初發現的偶氮愛好菌（名字意思是氮朋友）有類似的作用，所以我們將這個新屬命名為偶氮伴侶菌（氮伴侶）。幸運的是，其中一種新的偶氮伴侶菌物種是在離不萊梅不遠的地方，從德國海尼希的一個地下水樣本中獲得的。」

現在，科學家們想更深入地瞭解這些新物種的生活。由於與德國耶拿弗里德里希·席勒大學的柯爾斯滕·庫塞爾和威爾·奧弗霍爾特合作，他們最初收集了海尼希的樣本，因此科學家們能夠進入取樣地點，並研究宏轉錄組學資料，即描述樣本中基因表達並指示微生物活性的資料。

斯佩思繼續說：「在這裡，我們又有了一個驚喜——這些呼吸共生體有新的本領。與最初的共生體物種不同，最初的物種只能進行厭氧呼吸（即反硝化作用），所有新的共生體物種實際上都編碼了一種末端氧化酶——一種使它們除了氮之外還能呼吸氧氣的酶。這可以解釋為什麼我們在完全或部分含氧的環境中也能找到這些共生體。」

這些結果如今發表在《自然通訊》期刊上，解答了科學家們有關共生體生物地理分佈的未解問題。米盧卡展望未來說：「由於發現了這些新物種，我們現在也可以開始更多地思考它們的進化。我們有望更好地瞭解這些有益的共生關係是如何開始的，以及它們隨時間如何進化。」

此外，這項研究還有一個生態方面的意義：斯佩思補充說，透過進行反硝化作用，這種共生關係會影響其所在棲息地的氮迴圈，並有可能去除營養物質，如氮氧化物，同時產生溫室氣體，如一氧化二氮。

最後但同樣重要的是，這讓我們能夠簡單地欣賞微生物這個迷人的世界。米盧卡熱情地說：「這種生物是大自然的奇蹟。原生生物能夠進行如此驚人的代謝創新，這往往是因為它們很容易與原核生物建立關係。對我來說，這真的很迷人。在理解真核生物的進化方面，這些生物是重要的一塊拼圖。」

參考文獻：Daan R. Speth、Linus M. Zeller、Jon S. Graf、Will A. Overholt、Kirsten Küsel和Jana Milucka的《全球分佈的呼吸內共生體的需氧呼吸和反硝化遺傳潛力》，2024年11月8日，《自然通訊》。DOI: 10.1038/s41467 - 024 - 54047 - x