01
引言
海洋被认为是生命的起源地，而潮间带连接陆地与海洋，是远古生命从海洋向陆地演化的关键过渡地带，同时也是最具生产力的生态系统之一，参与全球生物地球化学循环和气候调节。氨氧化古菌（AOA）在全球氮和碳循环中扮演着重要角色，它们能固定无机碳，同时推动硝化反应的限速步骤——氧化氨（NH3）为羟胺（NH2OH），构成海洋中氧化亚氮（N2O）的主要来源。AOA在不同生境下的偏好分布展现了其较明显的生态位分化，栖息于周期性变化的潮间带中的AOA可能为生物适应性研究提供新的视角。目前针对受多重扰动的潮间带盐沼湿地中AOA的系统发育多样性、分布规律和功能特征的认知仍然有限，而针对其研究在理解AOA多样性和适应机制以及沿海环境氮污染防控具有深远意义。
近期，西湖大学工学院鞠峰团队在2024年8月于环境领域国际知名期刊《Environmental Science & Technology》上以副封面发表了题为“Discovery of Candidatus Nitrosomaritimum as a new genus of ammonia oxidizing archaea widespread in anoxic saltmarsh intertidal aquifers”的原创性论文。研究团队在中国江苏盐城湿地的潮间带含水层发现并命名了一个新的AOA属Candidatus Nitrosomaritimum，通过比较基因组学与宏转录组学方法揭示了该新属的系统发育多样性、分布规律及其在生物氮转化中的重要作用。
论文第一作者为鞠峰实验室博士研究生赵泽，通讯作者为西湖大学工学院鞠峰副教授，合作者包括美国俄克拉荷马大学秦玮博士、西湖大学工学院李凌教授和浙江大学赵和平教授。该研究得到了国家自然科学基金委员会、浙江省海岸带环境与资源研究重点实验室和西湖大学未来产业研究中心的支持。
02
主要内容
本研究以中国最大的滨海湿地自然保护区——盐城湿地作为研究地点，针对两条盐沼潮沟的潮间带含水层开展工作（图1A）。研究团队采集了59个潮间带地下水和沉积物样品，通过宏基因组测序、序列组装和分箱重建了32个中高质量的Nitrososphaeria基因组草图（MAGs）。基于这些MAGs与来自不同生境的其他127个参考基因组和MAGs共同构建系统发育树（图2A），确定了一个与Nitrosopumilus和Nitrosarchaeum互为姊妹进化支的单系群，其在GTDB数据库中被分类为JACEMX01属，三个属之间的成对基因组平均核酸一致性（ANI）值在75%-77%，表明该单系群是属于Nitrosopumilaceae科下的一个氨氧化古菌新属。研究团队将该新属命名为Candidatus Nitrosomaritimum。该属包含三个物种：Ca. Nitrosomaritimum aestuariumsis、Ca. Nitrosomaritimum yanchengensis和Ca. Nitrosomaritimum khambatensis。
基于AOA基因组中提取的amoA基因序列构建的系统发育树（图2B）表明Ca. Nitrosomaritimum的amoA基因也形成一个单系群，与Nitrosopumilus和Nitrosarchaeum的amoA基因互为姊妹进化支。基于已发表的全球amoA基因数据库对amoA序列进行物种分类注释，Ca. Nitrosomaritimum属的amoA基因属于Nitrosopumilaceae-γ-2.2.2（NP-γ-2.2.2）分类群，该分类群在全球河口-海岸带生境和海洋沉积物中广泛分布，但尚未得到深入研究。
图1A. 盐沼潮间带含水层地下水和沉积物样品采样点。
图2.Nitrososphaeria基因组（A）和amoA基因（B）的最大似然系统发育树。
研究团队基于基因组映射计算了不同AOA属在潮间带含水层的分布模式，发现Ca. Nitrosomaritimum在潮间带含水层和海水中均广泛分布，其丰度与已知的海岸带主导AOA属Nitrosopumilus属的丰度相当。amoA基因序列测序和物种分类注释结果表明Ca. Nitrosomaritimum是潮间带含水层中丰度占比第二（1.4-10.1%）的主导AOA属。宏转录本表明Ca. Nitrosomaritimum的amoABC基因在潮间带沉积物中活跃表达。环境因子关联分析结果表明盐度和溶解氧是Ca. Nitrosomaritimum属内进化支（物种水平）生态位分化的重要驱动力。
研究团队通过比较基因组学进一步揭示了潮间带AOA基因组的功能特征，并绘制了其代谢框架及其与Hydrothermarchaeota互作示意图（图3）。除了参与氨氧化代谢、3-羟基丙酸/4-羟基丁酸无机碳固定和渗透压保护的核心功能基因外，研究发现潮间带AOA基因组，特别是Ca. Nitrosomaritimum基因组，携带假定的氧化亚氮还原酶基因（nosZ），用于将N2O还原为氮气，表明厌氧潮间带含水层中的AOA可能执行与海洋最小含氧层中AOA相似的自产氧氨氧化代谢。Ca. Nitrosomaritimum具有编码尿素酶的ureABC基因，表明其可能利用尿素作为替代氮源。此外，研究团队还发现AOA基因组选择性携带Pst（pstABCS）或Phn（phnCDE）磷酸盐转运系统，用于磷限制条件下磷酸盐的摄取。
羟胺（NH2OH）是AOA生成NO2-或N2O过程中的关键中间产物，其毒性和致突变性可能会影响其他微生物的生存，故研究团队探索了可能利用AOA释放到胞外的NH2OH的古菌种群。研究团队在深海热液环境之外首次重建了两个热液古菌（Hydrothermarchaeota）MAGs，其编码的羟胺氧化还原酶基因（hao）和羟胺还原酶基因（hcp）可以氧化NH2OH，NH2OH氧化产生的NO2-可以通过其携带的nrf基因（编码亚硝酸盐还原酶）经过DNRA过程（亚硝酸盐异化还原为氨）转化为NH3，仅为被潮间带AOA利用，表明潮间带含水层中Hydrothermarchaeota和AOA之间可能存在的互惠互利的代谢合作关系。
图3. 潮间带含水层AOA的代谢框架及其与Hydrothermarchaeota的代谢互作。
03
总结
海岸带生态系统在全球生物地球化学循环中扮演重要角色，其中氮循环的氨氧化环节主要由AOA承担。该研究发现并命名了一个AOA新属Ca. Nitrosomaritimum，该属在潮间带含水层的主导地位，挑战了以前将Nitrosopumilus作为半咸水沿海环境甚至海洋环境中唯一优势AOA属的认知，扩展了对于未知AOA谱系在海岸带氮转化和氮污染控制的贡献的理解；强调了厌氧海岸带含水层中AOA代谢作为潜在的N2O的汇和N2的源的重要性，并补充了与AOA相关的微生物互作的理解。该研究丰富了海岸带环境氨氧化古菌参与氮素循环代谢模型，并为未来利用AOA有效管控潮间带和滨海湿地氮污染提供了新的思路和见解。
来 源 | 鞠峰实验室
撰 稿 | 赵泽、林晓星
校 稿 | 鞠峰、闫慧贞、郭令云
编 辑 | 彭玥
审 核 | 苏凌菲
西湖大学工学院面向国家战略性新兴产业发展重大需求，着力建设交叉学科与新兴学科为特色的工程技术学科群，努力建成国家重大科学技术研究和拔尖创新人才培养的重要基地。工学院以国际高端人才为学科带头人构建科研团队，分阶段、分领域打造一流人才队伍。
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