In-Situ Metatranscriptomic Analyses Reveal the Metabolic Flexibility of the Thermophilic Anoxygenic Photosynthetic Bacterium Chloroflexus aggregans in a Hot Spring Cyanobacteria-Dominated Microbial Mat

原位元轉(zhuǎn)錄組學(xué)分析揭示了嗜熱無氧光合細(xì)菌 Chloroflexus 聚集體在高溫 環(huán)境中的代謝靈活性

來源：Microorganisms 2021, 9, 652.

 

一、摘要概述

 

本研究通過原位宏轉(zhuǎn)錄組分析結(jié)合微尺度環(huán)境監(jiān)測(cè)，揭示了嗜熱無氧光合細(xì)菌Chloroflexus aggregans在日本中房溫泉藍(lán)藻主導(dǎo)微生物墊中的代謝策略。核心發(fā)現(xiàn)包括：

 

晝夜代謝轉(zhuǎn)換：

日間高光高氧期（11:00）：以光異養(yǎng)代謝為主（利用有機(jī)碳源），伴隨固碳基因低表達(dá)。

晨間微氧期（05:00）：以化學(xué)混合營養(yǎng)代謝為主（同時(shí)利用H?、CO、有機(jī)碳），呼吸鏈基因（如氫酶、細(xì)胞色素氧化酶）高表達(dá)。

環(huán)境驅(qū)動(dòng)機(jī)制：光照強(qiáng)度與O?濃度動(dòng)態(tài)變化（通過Unisense微電極監(jiān)測(cè)）直接調(diào)控基因轉(zhuǎn)錄模式。

生態(tài)意義：首次證實(shí)C. aggregans在自然環(huán)境中通過代謝靈活性適應(yīng)晝夜環(huán)境波動(dòng)，挑戰(zhàn)了傳統(tǒng)認(rèn)為綠彎菌門為嚴(yán)格厭氧光合菌的認(rèn)知。

 

二、研究目的

 

解析代謝策略：闡明C. aggregans在動(dòng)態(tài)溫泉環(huán)境中的能量獲取與碳固定途徑。

驗(yàn)證代謝靈活性假說：探究其如何協(xié)調(diào)光養(yǎng)、化養(yǎng)、自養(yǎng)與異養(yǎng)代謝以適應(yīng)晝夜變化。

揭示生態(tài)角色：明確其在藍(lán)藻墊中的初級(jí)生產(chǎn)者功能及與共生微生物的互作關(guān)系。

 

三、研究思路

 

采用 "原位監(jiān)測(cè)→轉(zhuǎn)錄組分析→代謝通路整合" 策略：

 

環(huán)境參數(shù)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)：

使用Unisense O?微電極（Clark型）每15分鐘監(jiān)測(cè)微生物墊0–2 mm深度O?濃度剖面（圖2）。

 

同步記錄光照強(qiáng)度（PAR, 400–700 nm）。

時(shí)間序列采樣：

在24小時(shí)內(nèi)（11個(gè)時(shí)間點(diǎn)）采集微生物墊樣品（圖1），提取總RNA。

 

宏轉(zhuǎn)錄組分析：

比對(duì)至C. aggregans參考基因組（NC_011831.1），分析能量代謝（光合、呼吸）、碳固定（3-羥基丙酸雙循環(huán)）、電子供體利用（H?、CO、硫化物）相關(guān)基因表達(dá)。

數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)：

將基因表達(dá)譜與O?/光照動(dòng)態(tài)關(guān)聯(lián)，推斷主導(dǎo)代謝模式。

 

四、關(guān)鍵數(shù)據(jù)及研究意義

1. O?與光照動(dòng)態(tài)（圖2）

 

數(shù)據(jù)來源：Unisense微電極連續(xù)24小時(shí)監(jiān)測(cè)（圖2熱圖）。

結(jié)果：

正午（11:00）：O?濃度 >900 μmol·L?1（超氧狀態(tài)），滲透深度 >2 mm。

清晨（05:00）：O?濃度 <100 μmol·L?1（微氧狀態(tài)），僅存于表層。

意義：量化了微生物墊的氧化梯度，為解釋代謝轉(zhuǎn)換提供環(huán)境背景。

 

2. 光合相關(guān)基因表達(dá)（圖3）

 

 

數(shù)據(jù)來源：光合反應(yīng)中心（pufLMC）、綠小體蛋白（csmAMNOPY）基因。

結(jié)果：夜間高表達(dá)（厭氧期合成色素），日間受O?抑制。

意義：證實(shí)光合裝置合成受O?負(fù)調(diào)控，適應(yīng)晝夜缺氧/富氧交替。

 

3. 呼吸與碳代謝基因表達(dá)（圖4–8）

 

 

數(shù)據(jù)來源：

呼吸鏈：氫酶（hyd）、細(xì)胞色素氧化酶（cox）、ATP合酶（圖5）。

 

碳固定：3-羥基丙酸雙循環(huán)關(guān)鍵酶（malonyl-CoA reductase）（圖6）。

 

電子供體利用：H?酶（hyd）、CO脫氫酶（coxGSML）、硫化物:醌氧化還原酶（sqr）（圖7）。

 

 

 

結(jié)果：

清晨（05:00）：hyd、cox、TCA循環(huán)基因高表達(dá)，提示化學(xué)混合營養(yǎng)。

正午（11:00）：糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白基因高表達(dá)，提示光異養(yǎng)主導(dǎo)。

意義：揭示代謝靈活性分子基礎(chǔ)，闡明C. aggregans如何利用不同電子供體（H?、CO、有機(jī)物）。

 

4. 晝夜代謝模式整合（圖9）

 

 

數(shù)據(jù)來源：綜合上述基因表達(dá)與環(huán)境參數(shù)。

結(jié)論模型：

日間：光異養(yǎng)（高光高氧）→ 光自養(yǎng)（低光微氧）。

夜間：發(fā)酵代謝 → 清晨：化學(xué)混合營養(yǎng)（微氧下利用H?/CO自養(yǎng)+有機(jī)物異養(yǎng)）。

 

五、丹麥Unisense電極數(shù)據(jù)的詳細(xì)解讀

1. 技術(shù)原理與實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

 

原理：Clark電極通過O?在鉑陰極還原產(chǎn)生電流，靈敏度達(dá)μmol·L?1級(jí)（響應(yīng)時(shí)間<0.5 s）。

設(shè)計(jì)：

垂直剖面監(jiān)測(cè)（0–2 mm深度，100 μm分辨率）。

每15分鐘自動(dòng)記錄剖面，持續(xù)24小時(shí)（圖2）。

 

2. 關(guān)鍵結(jié)果與生態(tài)意義

 

O?動(dòng)態(tài)的代謝驅(qū)動(dòng)：

正午超氧（>900 μmol·L?1）：藍(lán)藻光合作用導(dǎo)致，抑制C. aggregans厭氧代謝基因（如bchE）。

清晨微氧（<100 μmol·L?1）：支持C. aggregans呼吸代謝（hyd、cox高表達(dá)）。

空間異質(zhì)性：

表層（0–0.5 mm）：晝夜O?波動(dòng)劇烈，驅(qū)動(dòng)代謝快速轉(zhuǎn)換。

深層（>1 mm）：持續(xù)缺氧，支持厭氧光合/發(fā)酵。

技術(shù)優(yōu)勢(shì)：

高時(shí)空分辨率：捕捉O?梯度瞬態(tài)變化（如午后O?速降），關(guān)聯(lián)基因表達(dá)時(shí)移。

原位真實(shí)性：避免采樣擾動(dòng)，真實(shí)反映微生物生存微環(huán)境。

 

3. 對(duì)代謝模型的驗(yàn)證作用

 

證偽嚴(yán)格厭氧假說：檢測(cè)到晨間微量O?（<100 μmol·L?1），支持化學(xué)混合營養(yǎng)模式。

量化代謝窗口期：確定05:00和15:00為代謝轉(zhuǎn)換關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，指導(dǎo)轉(zhuǎn)錄組采樣設(shè)計(jì)。

揭示遷移行為：O?剖面暗示C. aggregans晨間向微氧表層遷移，趨氧性可能驅(qū)動(dòng)代謝轉(zhuǎn)換。

 

六、結(jié)論

 

代謝靈活性：C. aggregans通過晝夜代謝轉(zhuǎn)換（光養(yǎng)→化養(yǎng)、自養(yǎng)→異養(yǎng)）適應(yīng)動(dòng)態(tài)環(huán)境。

生態(tài)功能：

日間：利用藍(lán)藻分泌物（如乙醛酸）光異養(yǎng)生長。

清晨：利用H?/CO化學(xué)自養(yǎng)，成為初級(jí)生產(chǎn)者（圖9）。

技術(shù)啟示：原位宏轉(zhuǎn)錄組+微傳感器聯(lián)用是解析復(fù)雜微生物群落功能的有效范式。

 

圖表示例說明

 

圖1：溫泉采樣點(diǎn)及微生物墊結(jié)構(gòu)（藍(lán)藻層+綠彎菌層）。

圖2：O?濃度垂直剖面熱圖（Unisense數(shù)據(jù)）。

圖3：光合基因晝夜表達(dá)模式。

圖5：呼吸鏈基因表達(dá)與光照/O?關(guān)聯(lián)。

圖7：電子供體利用基因表達(dá)動(dòng)態(tài)。

圖9：整合代謝模型（光養(yǎng)/化養(yǎng)轉(zhuǎn)換示意圖）。