研究簡介:Chloroflexus aggregans是Chloroflexota門（以前稱為Chloroflexi）的代謝多功能、嗜熱、缺氧光養(yǎng)成員，可以光異養(yǎng)、光自養(yǎng)、化能異養(yǎng)和化能自養(yǎng)生長。在溫泉相關(guān)的微生物墊中，聚集梭菌與含氧藍(lán)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(xiàn)產(chǎn)氧藍(lán)細(xì)菌。在45–62°C的較低溫度下，Chloroflexus spp.與藍(lán)藻共存于深藍(lán)綠色微生物墊（“藍(lán)藻墊”）中。為了闡明C.aggregans的主要生長模式，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(zhuǎn)錄水平，并與微尺度原位測量相關(guān)聯(lián)O2和光。宏轉(zhuǎn)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(yǎng)作用和清晨的化能作用。當(dāng)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(yǎng)。

Unisense微電極系統(tǒng)的應(yīng)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(yīng)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(jì)（Unisense，奧胡斯，丹麥），兩者均由專用數(shù)據(jù)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(xù)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(yīng)用10秒的等待期，以確保穩(wěn)定的O2信號，然后記錄O2信號在1S時(shí)間內(nèi)的平均值。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果

研究表明聚集菌利用其代謝靈活性以及光養(yǎng)和化能生長的能力，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(yǎng)性），而且最值得注意的是05:00左右的清晨時(shí)間，假設(shè)細(xì)胞在此時(shí)進(jìn)行化學(xué)混合營養(yǎng)生長。利用轉(zhuǎn)錄組學(xué)方法分析了Nakabusa溫泉藍(lán)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源，支持C.aggregans的光自養(yǎng)、光混合自養(yǎng)和光異養(yǎng)生長，而在下午和夜晚，化學(xué)自養(yǎng)生長占主導(dǎo)地位。在下午微好氧低光條件下，化學(xué)異養(yǎng)生長基于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(xì)胞似乎進(jìn)行以O(shè)2為終端電子受體的化學(xué)自養(yǎng)生長，這表明C.aggregans細(xì)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(lán)細(xì)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(lán)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(lán)細(xì)菌為主的微生物墊中垂直O(jiān)2濃度分布的熱圖。從11月3日18:00到18日，在24小時(shí)內(nèi)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(shù)：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(fù)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(yīng)中心和葉綠體蛋白的基因以及參與細(xì)菌葉綠素生物合成的基因的相對轉(zhuǎn)錄水平。編碼2型反應(yīng)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(lán)線和橙色線表示。顯示了Mg-原卟啉IX單甲酯需氧環(huán)化酶（acsF，Cagg_1285，黃線）和厭氧環(huán)化酶（bchE，Cagg_0316，綠線）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(yīng)的特定基因的轉(zhuǎn)錄與前一個(gè)時(shí)間點(diǎn)的轉(zhuǎn)錄顯著不同。

圖4、替代復(fù)合物III(ACIII)和金花苷的相對轉(zhuǎn)錄水平。光養(yǎng)電子轉(zhuǎn)移的ACIII（Cp、Cagg_3382-3383和3385-3387）和化能電子轉(zhuǎn)移的ACIII（Cr、Cagg_1523-1527）的平均值分別用藍(lán)線和橙色線表示，并帶有標(biāo)準(zhǔn)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。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(yīng)的特定基因的轉(zhuǎn)錄與前一個(gè)時(shí)間點(diǎn)的轉(zhuǎn)錄顯著不同。

圖5、藍(lán)藻墊中編碼3-OHP雙循環(huán)關(guān)鍵酶和回補(bǔ)途徑相關(guān)酶的基因的相對轉(zhuǎn)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(zhuǎn)錄水平的平均值由藍(lán)色表示線和橙色線，分別具有標(biāo)準(zhǔn)偏差。下降光子輻照度（PAR；400–700 nm）以白色表示。

結(jié)論與展望

氯光菌聚集體（Chloroflexus aggregans）是一種代謝多樣性、嗜熱、厭氧光營養(yǎng)的葉綠菌門（曾被稱為葉綠菌門）成員，可以以光異養(yǎng)、光自養(yǎng)、化學(xué)異養(yǎng)和化學(xué)自養(yǎng)的方式生長。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(lán)藻共存。為了闡明氯光菌聚集體的主導(dǎo)生長模式，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(zhuǎn)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(zhuǎn)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)正午左右的光營養(yǎng)生長和（2）清晨的化學(xué)營養(yǎng)生長。在正午時(shí)分，當(dāng)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(yǎng)。在清晨時(shí)分，相對轉(zhuǎn)錄高峰的基因編碼攝取氫酶、碳固定的關(guān)鍵酶、呼吸復(fù)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(yǎng)生活方式。這是基于基因轉(zhuǎn)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(fù)合物以及TCA循環(huán)和乙酸鹽攝取酶的基因的相對轉(zhuǎn)錄峰值表明有氧化學(xué)混合營養(yǎng)生活方式。這是首次基于基因轉(zhuǎn)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(jié)果為這些在動(dòng)態(tài)環(huán)境條件下茁壯成長的絲狀缺氧光養(yǎng)生物的代謝靈活性提供了新的見解。