研究簡(jiǎn)介:Chloroflexus aggregans是Chloroflexota門(mén)（以前稱(chēng)為Chloroflexi）的代謝多功能、嗜熱、缺氧光養成員，可以光異養、光自養、化能異養和化能自養生長(cháng)。在溫泉相關(guān)的微生物墊中，聚集梭菌與含氧藍藻在動(dòng)態(tài)微環(huán)境條件下共存。人們對微堿性、硫化物中房溫泉中的微生物墊的微生物多樣性和功能進(jìn)行了深入研究。在63–70°C的水溫下，橄欖綠微生物墊以C.aggregans為主，并且未發(fā)現產(chǎn)氧藍細菌。在45–62°C的較低溫度下，Chloroflexus spp.與藍藻共存于深藍綠色微生物墊（“藍藻墊”）中。為了闡明C.aggregans的主要生長(cháng)模式，研究人員研究了中房溫泉微生物墊中晝夜循環(huán)中能量代謝和CO2固定相關(guān)基因的相對轉錄水平，并與微尺度原位測量相關(guān)聯(lián)O2和光。宏轉錄組分析表明聚集蛋白具有不同能量代謝模式的兩個(gè)時(shí)期：中午左右的光養作用和清晨的化能作用。當微生物叢處于高氧狀態(tài)（O2 400–800μmolL?1)時(shí)，聚集菌主要采用光異養。

Unisense微電極系統的應用

使用Clark型氧微電極（OX-25；Unisense，奧胡斯，丹麥）原位測量O2濃度隨微生物墊深度的變化尖端直徑<25μm、攪拌靈敏度低(<1–2%)和快速響應時(shí)間(t 90<0.5 s)。O2微傳感器安裝在電動(dòng)顯微操作器（Unisense，丹麥）上，并連接到PC接口pA計（Unisense，奧胡斯，丹麥），兩者均由專(zhuān)用數據采集控制、分析和定位軟件（SensorTrace Pro，Unisense，奧胡斯，丹麥）。微操縱器安裝在溫泉旁邊的金屬支架上，允許在自然流動(dòng)、溫度和光照條件下將微傳感器尖端垂直插入微生物墊中。通過(guò)手動(dòng)操作顯微操作器，將微傳感器尖端小心地定位在墊子表面（定義為0μm）。隨后每15分鐘自動(dòng)記錄O2微剖面，持續24小時(shí)。在每個(gè)剖面中，以步徑100μm增量進(jìn)行O2測量水相并進(jìn)入生物墊子。對每個(gè)深度進(jìn)行一次測量，并且對于每次測量，應用10秒的等待期，以確保穩定的O2信號，然后記錄O2信號在1S時(shí)間內的平均值。

實(shí)驗結果

研究表明聚集菌利用其代謝靈活性以及光養和化能生長(cháng)的能力，在其自然棲息地（中房溫泉微生物墊群落）的不同環(huán)境條件下優(yōu)化其性能。主要的ATP生成時(shí)間以及新陳代謝最活躍的時(shí)間不僅是中午前后的高光時(shí)間（光養性），而且最值得注意的是05:00左右的清晨時(shí)間，假設細胞在此時(shí)進(jìn)行化學(xué)混合營(yíng)養生長(cháng)。利用轉錄組學(xué)方法分析了Nakabusa溫泉藍綠色微生物墊中C.aggregans的原位代謝方式。白天光照是主要的能源來(lái)源，支持C.aggregans的光自養、光混合自養和光異養生長(cháng)，而在下午和夜晚，化學(xué)自養生長(cháng)占主導地位。在下午微好氧低光條件下，化學(xué)異養生長(cháng)基于O2呼吸，而在夜晚，在厭氧條件下進(jìn)行發(fā)酵。令人意外的是，在日出前的清晨，C.aggregans細胞似乎進(jìn)行以O2為終端電子受體的化學(xué)自養生長(cháng)，這表明C.aggregans細胞在墊的微好氧表層進(jìn)行垂直遷移。

圖1、采樣點(diǎn)和以藍細菌為主的微生物墊的照片。(a)日本中房溫泉“溪流遺址”發(fā)育的深藍綠色微生物墊。(b)每個(gè)時(shí)間點(diǎn)收集的微生物墊核心樣品的直徑為8毫米，面積約為100毫米，15毫米厚。本研究中使用了巖心樣本的上部3毫米。

圖2、在晝夜循環(huán)中測量的中房溫泉以藍細菌為主的微生物墊中垂直O2濃度分布的熱圖。從11月3日18:00到18日，在24小時(shí)內每隔15分鐘測量一次O2濃度（μmol L?1）作為微生物墊深度的函數：11月4日00點(diǎn)。墊子表面用0毫米表示。正深度值表示墊子表面以下的深度，負值表示墊子表面以上的深度，即到溫泉上覆水柱的距離。

圖3、編碼光合反應中心和葉綠體蛋白的基因以及參與細菌葉綠素生物合成的基因的相對轉錄水平。編碼2型反應中心(RC)（pufLMC：Cagg_1639–1640和Cagg_2631）和葉綠體蛋白（csmAMNOPY：Cagg_1222、Cagg_1209、Cagg_1208、Cagg_2486、Cagg_1206和Cagg_1296）的基因平均值由藍線(xiàn)和橙色線(xiàn)表示。顯示了Mg-原卟啉IX單甲酯需氧環(huán)化酶（acsF，Cagg_1285，黃線(xiàn)）和厭氧環(huán)化酶（bchE，Cagg_0316，綠線(xiàn)）的值。下降光子輻照度（光合有效輻射[PAR]；400–700 nm）以白色表示。星號表示某個(gè)時(shí)間點(diǎn)顏色對應的特定基因的轉錄與前一個(gè)時(shí)間點(diǎn)的轉錄顯著(zhù)不同。

圖4、替代復合物III(ACIII)和金花苷的相對轉錄水平。光養電子轉移的ACIII（Cp、Cagg_3382-3383和3385-3387）和化能電子轉移的ACIII（Cr、Cagg_1523-1527）的平均值分別用藍線(xiàn)和橙色線(xiàn)表示，并帶有標準差。編碼金花苷的aurA和aurB（Cagg_0327和1833）的值分別顯示為黃色（aurA）和綠色（aurB）線(xiàn)。下降光子輻照度（PAR；400–700 nm）以白色表示。星號表示某個(gè)時(shí)間點(diǎn)顏色對應的特定基因的轉錄與前一個(gè)時(shí)間點(diǎn)的轉錄顯著(zhù)不同。

圖5、藍藻墊中編碼3-OHP雙循環(huán)關(guān)鍵酶和回補途徑相關(guān)酶的基因的相對轉錄水平。關(guān)鍵3-OHP酶（即丙二酰輔酶A還原酶(Cagg_1256)和丙酰輔酶A合酶(Cagg_3394)）以及磷酸烯醇丙酮酸羧化酶（ppc、Cagg_0058和0399）的相對轉錄水平的平均值由藍色表示線(xiàn)和橙色線(xiàn)，分別具有標準偏差。下降光子輻照度（PAR；400–700 nm）以白色表示。

結論與展望

氯光菌聚集體（Chloroflexus aggregans）是一種代謝多樣性、嗜熱、厭氧光營(yíng)養的葉綠菌門(mén)（曾被稱(chēng)為葉綠菌門(mén)）成員，可以以光異養、光自養、化學(xué)異養和化學(xué)自養的方式生長(cháng)。在溫泉相關(guān)的微生物墊中，氯光菌聚集體在動(dòng)態(tài)微環(huán)境條件下與含氧藍藻共存。為了闡明氯光菌聚集體的主導生長(cháng)模式，研究人員研究了Nakabusa溫泉微生物墊中與一晝夜周期相關(guān)的能量代謝和CO2固定相關(guān)基因的相對轉錄水平，并與O2和光的微尺度原位測量進(jìn)行了相關(guān)性分析。轉錄組學(xué)分析表明，氯光菌聚集體的能量代謝存在兩個(gè)不同階段:(1)正午左右的光營(yíng)養生長(cháng)和（2）清晨的化學(xué)營(yíng)養生長(cháng)。在正午時(shí)分，當微生物墊富含氧氣（400–800μmol L?1 O2）時(shí)，氯光菌聚集體主要采用光異養。在清晨時(shí)分，相對轉錄高峰的基因編碼攝取氫酶、碳固定的關(guān)鍵酶、呼吸復合物以及TCA循環(huán)和乙酸攝取的酶，提示一種好氧的化學(xué)混合自養生活方式。這是基于基因轉錄模式的氯光菌聚集體多樣化能量代謝的首次原位研究。在清晨編碼攝取氫化酶、碳固定關(guān)鍵酶、呼吸復合物以及TCA循環(huán)和乙酸鹽攝取酶的基因的相對轉錄峰值表明有氧化學(xué)混合營(yíng)養生活方式。這是首次基于基因轉錄模式對聚集蛋白的多功能能量代謝進(jìn)行原位研究。這些研究結果為這些在動(dòng)態(tài)環(huán)境條件下茁壯成長(cháng)的絲狀缺氧光養生物的代謝靈活性提供了新的見(jiàn)解。