由美国特拉华大学牵头，美国国家海洋与大气管理局太平洋海洋环境实验室、夏威夷大学、得克萨斯农工大学等机构参与的研究团队，在夏威夷Loihi海山、大西洋中脊与马里亚纳弧后三大海底热液区采集铁微生物席样品，使用配备德国AMT公司深海玻璃pH电极的热液流体与颗粒物采样器原位获取热液流体化学数据，结合宏基因组、宏转录组与铁加富培养实验，验证了中性铁氧化菌关键基因cyc2所介导的铁氧化通路在天然环境中真实运转。相关成果于2020年发表于《mSystems》。
研究背景
铁氧化物是土壤、水源与生态系统的重要组分，能够圈存养分、碳与金属。微生物可以把可溶性的二价铁氧化为不溶性三价铁并形成铁氧化物，但这一过程在自然界是否显著，长期缺乏可追踪的手段——与碳、硫、氮代谢不同，微生物铁氧化长期以来没有公认的标记基因。此前对嗜酸菌氧化亚铁硫杆菌的研究提出了以铁氧化酶Cyc2为核心的一条假设铁氧化通路，但Cyc2在中性铁氧化菌中的功能一直缺乏在天然铁氧化环境中的直接验证。
在中性pH环境下催化铁氧化的代表性微生物是泽塔蛋白细菌纲（Zetaproteobacteria）。它们在海底热液铁微生物席中往往占据优势地位，是铁席形成的关键类群。研究团队因此选择三大热液区的天然铁席为对象，试图回答：cyc2是否广泛分布于铁氧化菌中、是否在原位高表达，以及它的表达是否随二价铁供应而变化。
研究过程
研究样品来自三个航次、三类热液环境：夏威夷Loihi海山裂隙直接排放形成的大尺度铁席、大西洋中脊Rainbow、TAG与Snake Pit热液区黑烟囱外围的弥散流铁席垫丘，以及马里亚纳弧后Urashima热液区一座7米高铁烟囱上的铁席。这些铁席所处的温度介于10至63 °C，席内二价铁浓度为1.3至190 μmol/L，溶解氧最低低于3 μmol/L检出限，条件有利于生物铁氧化；在马里亚纳，低温铁席中的总溶解铁相对保守混合线亏损了49%至74%，说明大量二价铁已在席内被氧化沉淀。
原位化学数据分两路获取：大西洋中脊与Loihi样品以循环伏安法原位测定；马里亚纳样品则使用热液流体与颗粒物采样器，该系统以钛质进样口按每分钟1至4升的流量抽取热液流体，流体经钛与特氟隆歧管连续冲洗后，分流至样品容器或化学传感器——联机的光学溶解氧传感器与AMT深海玻璃pH电极直接给出原位读数，避免了热液流体离开海底后因氧化与沉淀而失真的问题。在此基础上，团队对铁席样品开展了16S rRNA基因调查、宏基因组与宏转录组测序，从53个新恢复的高质量宏基因组组装基因组出发比较了泽塔蛋白细菌纲各谱系的铁氧化基因库，并以船载二价铁加富培养检验基因表达响应。
实验结果
一、天然铁席由泽塔蛋白细菌纲主导。 16S rRNA基因调查显示，三个海区铁席中泽塔蛋白细菌纲占细菌群落的16.4%至95.9%（Loihi）、10.7%至31.3%（大西洋中脊）与37.1%至79.9%（马里亚纳）；一份正在活跃生长的铁席表层样品中该类群占比高达96%。这说明采样体系正是研究中性铁氧化的理想模型。
图1. 德国AMT公司pH传感器
图2. 三海区铁席中泽塔蛋白细菌纲在16S rRNA基因、宏基因组与宏转录组中的相对丰度（论文 Figure 2）
二、Cyc2序列在中性铁氧化菌中高度保守。 对Cyc2氨基酸序列的系统发育分析显示，泽塔蛋白细菌纲与盖氏铁柄杆菌科等中性铁氧化菌的Cyc2同聚为一簇（簇支持率92%，泽塔谱系内97%），而嗜酸菌的Cyc2分属另外两簇，提示簇内序列保守、功能同源。
图3. Cyc2最大似然系统发育树显示中性铁氧化菌聚为一簇（论文 Figure 3）
三、铁氧化通路基因广泛分布于全部谱系。 基因分布分析表明，以cyc2为核心、辅以胞外电子传递与电子传递链相关组分的模型通路，在各泽塔谱系中广泛存在且核心组分高度保守，由此更新了中性铁氧化通路模型。
图4. 铁氧化通路基因在各泽塔谱系基因组中的分布（论文 Figure 4）
图5. 泽塔蛋白细菌纲铁氧化通路模型（论文 Figure 5）
四、cyc2在原位高表达并随铁供应上调。 宏转录组数据显示，cyc2在天然铁席中高表达，常常位居表达量最高的基因之列；船载二价铁加富培养中，各谱系cyc2表达在加铁后进一步上调，碳固定与中心代谢相关基因的表达同步上升，与其承担铁氧化功能的判断一致。
图6. 铁加富实验中cyc2及通路基因表达上调（论文 Figure 6）
研究结论
这项研究在天然环境中验证了中性铁氧化菌的Cyc2铁氧化通路：cyc2广泛分布、原位高表达、受铁供应调控，具备作为铁氧化能力乃至活性标志物的潜力，为定量评估中性铁氧化菌在海洋与陆地环境中的作用提供了分子工具。
原位化学链路是这项研究取信于人的关键一环。热液流体离开喷口后随即发生氧化与沉淀，pH是解读流体混合与矿物沉淀过程的核心变量；德国AMT公司的深海玻璃pH电极与采样器联机直读，在高温、低pH、高颗粒负荷的热液环境中持续给出原位pH数据，与溶解氧、循环伏安法数据互为印证，省去了取样回实验室复测的时效损失。对于海底热液、冷泉与深海资源调查中需要在恶劣环境下获取可靠原位化学参数的工作而言，AMT深海pH电极与配套电化学传感器是经得起远洋航次检验的选择。
参考文献
McAllister, S. M., Polson, S. W., Butterfield, D. A., Glazer, B. T., Sylvan, J. B., Chan, C. S. Validating the Cyc2 neutrophilic iron oxidation pathway using meta-omics of Zetaproteobacteria iron mats at marine hydrothermal vents. mSystems, 2020, 5(1): e00553-19. https://doi.org/10.1128/mSystems.00553-19
相关产品链接
