Nature：长期存在的海洋之谜解决了

在一项新的研究中，来自马克斯·普朗克海洋微生物研究所、阿尔弗雷德·韦格纳研究所和维也纳大学的科学家们揭示了一个意想不到的合作伙伴关系:一种海洋硅藻和一种细菌可以在广阔的海洋地区占很大比例的固氮作用。这种共生关系可能对全球海洋固氮和生产力以及二氧化碳的吸收起着关键作用。新发现的细菌共生体与与许多作物共生的固氮根瘤菌密切相关，也可能为固氮植物的工程开发开辟新的途径。

氮是所有生物体的基本成分。它也是控制陆地上作物生长的关键因素，也是产生地球上一半氧气的微小海洋植物生长的关键因素。大气中的氮气是迄今为止最大的氮库，但植物无法将其转化为可用的形式。相反，一些农作物，如大豆、豌豆和苜蓿(统称为豆科植物)已经获得了根瘤菌伴侣，将大气中的氮“固定”为铵，供植物使用。这种伙伴关系使豆类成为食品生产中最重要的蛋白质来源之一。

然而，海洋植物如何获得它们生长所需的氮还没有完全弄清楚。来自马克斯·普朗克海洋微生物研究所、阿尔弗雷德·韦格纳研究所和维也纳大学的科学家们现在报告说，根瘤菌也可以与被称为硅藻的微小海洋植物形成类似的伙伴关系——这一发现解决了一个长期存在的海洋之谜，并具有潜在的深远的农业应用。

一种隐藏在硅藻中的神秘海洋固氮物

多年来，人们一直认为海洋中的大多数固氮作用是由称为蓝藻的光合生物进行的。然而，在海洋的广大地区，没有足够的蓝藻来解释测量的固氮作用。因此，许多科学家假设非蓝藻微生物必须对“缺失”的固氮负责。“多年来，我们一直在寻找编码固氮氮酶的基因片段，这些片段似乎属于一种特殊的非蓝藻固氮菌，”该研究的主要作者马塞尔·凯珀斯说。“但是，我们无法准确地弄清楚这个神秘的生物是谁，因此也不知道它对固氮是否重要。”

2020年，科学家们从不来梅前往热带北大西洋，加入由两艘德国研究船组成的探险队。他们从全球大部分海洋固氮发生的地区收集了数百升海水，希望能确定并量化这种神秘固氮物的重要性。他们花了三年时间才最终拼凑出它的基因组。“这是一项漫长而艰苦的侦探工作，但最终，基因组解开了许多谜团，”该研究的第一作者、目前在因斯布鲁克大学工作的生物信息学家Bernhard Tschitschko说。目前在维也纳大学工作的合著者和生物信息学家Daan Speth补充说:“基于我们之前在许多海洋样本中看到的氮酶基因片段，人们会期望在弧菌相关生物中找到这种基因，但通过仔细拼凑遗传信息，结果发现它属于与已知根瘤菌密切相关的基因组，根瘤菌通常与豆科植物共生。”再加上它惊人的小基因组，这提高了海洋根瘤菌可能是一种共生体的可能性。

这是已知的第一个这种共生关系

在这些发现的刺激下，作者开发了一种基因探针，可用于荧光标记根瘤菌。Katharina Kitzinger说:“这使我们能够直接看到根瘤菌在它们的原生栖息地——在大西洋收集的复杂环境样本。”她在马克斯普朗克研究所开始为这个项目做出贡献，并在搬到维也纳大学后继续提供她的专业知识。事实上，他们对它是一种共生体的怀疑很快得到了证实。“我们发现了四组根瘤菌，它们总是位于硅藻内部的同一位置，”凯珀斯说，“这非常令人兴奋，因为这是硅藻和非蓝藻固氮菌之间的第一个已知的共生关系。”

科学家们将新发现的共生体命名为Candidatus Tectiglobus diatomicola。在最终确定了缺失的固氮菌的身份后，他们将注意力集中在研究细菌和硅藻是如何合作生活的。利用一种叫做nanoSIMS的技术，他们可以证明根瘤菌与硅藻交换固定氮以换取碳。它为此付出了很多努力:“为了支持硅藻的生长，细菌固定的氮比它自身所需的多100倍，”论文中的一位科学家Wiebke Mohr解释说。

在维持海洋生产力方面发挥关键作用

接下来，研究小组又回到了海洋，以发现这种新的共生关系在环境中有多普遍。人们很快发现，这种新发现的伙伴关系遍布世界各地的海洋，尤其是在蓝藻固氮物稀少的地区。因此，这些微小的生物可能是海洋总固氮的主要参与者，因此在维持海洋生产力和全球海洋吸收二氧化碳方面起着至关重要的作用。

农业工程专业的关键人选?

除了它对海洋中固氮的重要性之外，共生关系的发现暗示了未来其他令人兴奋的机会。凯珀斯对这一发现从进化角度的意义感到特别兴奋。“硅藻Ca. T. diatomicola的进化适应与内共生蓝藻UCYN-A非常相似，后者是一种早期固氮细胞器。因此，我们很容易推测，硅藻Ca. T. diatomicola及其硅藻宿主也可能处于成为单一生物的早期阶段。”

Tschitschko同意共生体的特性和细胞器的性质特别有趣，“到目前为止，这种细胞器只被证明起源于蓝藻，但在根瘤菌中发现它们的意义非常令人兴奋，考虑到这些细菌对农业非常重要。海洋根瘤菌的小尺寸和类似细胞器的性质意味着它可能是将来设计固氮植物的关键候选者。”

科学家们现在将继续研究新发现的共生关系，看看海洋中是否也存在更多类似的共生关系。