近日，广州海洋实验室黄力团队通过合作在海洋稀有微生物研究方面取得新进展，相关成果以“A deep-sea rare bacterium exhibits extraordinary metabolic versatility”为题，发表于Cell Reports。广州海洋实验室李之萌博士、深圳大学博士研究生池柏慧、厦门大学阮楚晋副教授为论文的共同第一作者，广州海洋实验室戴欣副研究员、黄力研究员和深圳大学刘杨教授为共同通讯作者，广州海洋实验室董励勤、郑甜儿和黄军凯为论文共同作者。

在自然界中，广泛存在一类稀有微生物，它们遍布各类自然环境，但丰度极低、难以人工培养。越来越多的研究表明，稀有微生物在维持生态系统稳定性以及驱动碳、氮、硫等生物地球化学循环过程中发挥着不可忽视的作用。长期以来，学界仅能通过基因测序推测其功能，无法证实其真实生理特性与生态作用，这类微生物也因此成为微生物研究的一大盲区。该研究利用单细胞分选培养技术，规避了传统培养中稀有菌株被优势菌群淘汰的问题，实现了稀有微生物的纯培养与系统性实验研究。采用此法，从西北印度洋4,213米深海海水样品中分离到一株稀有细菌，建立了全新细菌新科Metabolovariaceae（代谢多变菌科）、新属新种Metabolovarius oceani（海洋代谢多变菌）D14^T。这一成果终结了该类菌群仅存在于宏基因数据中的历史，为该类群的生理生态研究提供了珍贵的实体模式菌株。

图1 D14T菌株的电子显微镜图片

基因组分析显示，该稀有细菌拥有罕见的“全能代谢能力”。其基因组编码了完整的二氧化碳固定（Calvin–Benson–Bassham循环）、反硝化、硫代硫酸盐氧化以及聚羟基脂肪酸（PHA）合成等多条关键代谢通路，同时能够利用多种有机碳源生长。基因组比对显示，在全球超20万株参考微生物基因组中，仅有0.09%的微生物基因组同时携带上述过程中18个关键代谢标志基因。生长实验、同位素示踪实验以及电子显微镜观察等进一步证实，该菌不仅能够在好氧条件下以硫代硫酸盐作为电子供体驱动二氧化碳固定，实现自养生长，还能够在厌氧条件下利用硫代硫酸盐驱动硝酸盐还原，表现出硫驱动自养反硝化能力。此外，在富碳条件下，菌体内可形成PHA颗粒，说明其具备储存和调节碳源的能力。多元化的代谢体系可能使其拥有超过普通深海微生物的生存韧性。

图2 D14^T菌株的生长曲线和脱氮活性

生态大数据也佐证了其极强的环境适应能力。通过全球宏基因组数据库样品溯源，在700多个样品中发现了该细菌类群，分布覆盖从极地到热带的广阔区域，样品来源包括海洋（从海沟到沿海生物膜）、淡水、土壤、地下水、生物膜以及污水处理系统。在80%的环境样品中，其相对丰度低于0.1%。仅在3个地点9个样品（活性污泥、生物膜、软体动物）中相对丰度大于1%，说明厌氧且富含氮硫的环境是其首选栖息地。

图3 基于从Sandpiper数据库检索到的分布记录及相关BioSample元数据得出的Metabolovariaceae科的地理分布

该研究拓展了α-变形菌门的功能和分类学多样性，揭示了一个分布于全球但尚未被充分理解的谱系。深海分离菌株D14^T充分展现了稀有微生物类群具备的代谢潜力。后续针对Metabolovariaceae的环境活性、种群动态及调控网络开展深入研究，将有助于更全面理解稀有微生物在深海生态系统和工程系统中的功能价值。

广州海洋实验室、中国科学院微生物研究所、深圳大学和厦门大学等为共同完成单位。研究得到了国家自然科学基金、南方海洋科学与工程广东省实验室（广州）人才队伍经费、中国科学院战略性先导科技专项、中国大洋矿产资源研究开发协会项目、“科学”号海洋科学综合考察船高端用户项目以及深圳市自然科学基金基础研究面上项目等的支持。

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