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

原位元轉錄組學分析揭示了嗜熱無氧光合細菌 Chloroflexus 聚集體在高溫 環境中的代謝靈活性

來源：Microorganisms 2021, 9, 652.

 

一、摘要概述

 

本研究通過原位宏轉錄組分析結合微尺度環境監測，揭示了嗜熱無氧光合細菌Chloroflexus aggregans在日本中房溫泉藍藻主導微生物墊中的代謝策略。核心發現包括：

 

晝夜代謝轉換：

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

晨間微氧期（05:00）：以化學混合營養代謝為主（同時利用H?、CO、有機碳），呼吸鏈基因（如氫酶、細胞色素氧化酶）高表達。

環境驅動機制：光照強度與O?濃度動態變化（通過Unisense微電極監測）直接調控基因轉錄模式。

生態意義：首次證實C. aggregans在自然環境中通過代謝靈活性適應晝夜環境波動，挑戰了傳統認為綠彎菌門為嚴格厭氧光合菌的認知。

 

二、研究目的

 

解析代謝策略：闡明C. aggregans在動態溫泉環境中的能量獲取與碳固定途徑。

驗證代謝靈活性假說：探究其如何協調光養、化養、自養與異養代謝以適應晝夜變化。

揭示生態角色：明確其在藍藻墊中的初級生產者功能及與共生微生物的互作關系。

 

三、研究思路

 

采用 "原位監測→轉錄組分析→代謝通路整合" 策略：

 

環境參數動態監測：

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

 

同步記錄光照強度（PAR, 400–700 nm）。

時間序列采樣：

在24小時內（11個時間點）采集微生物墊樣品（圖1），提取總RNA。

 

宏轉錄組分析：

比對至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）、電子供體利用（H?、CO、硫化物）相關基因表達。

數據關聯：

將基因表達譜與O?/光照動態關聯，推斷主導代謝模式。

 

四、關鍵數據及研究意義

1. O?與光照動態（圖2）

 

數據來源：Unisense微電極連續24小時監測（圖2熱圖）。

結果：

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

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

意義：量化了微生物墊的氧化梯度，為解釋代謝轉換提供環境背景。

 

2. 光合相關基因表達（圖3）

 

 

數據來源：光合反應中心（pufLMC）、綠小體蛋白（csmAMNOPY）基因。

結果：夜間高表達（厭氧期合成色素），日間受O?抑制。

意義：證實光合裝置合成受O?負調控，適應晝夜缺氧/富氧交替。

 

3. 呼吸與碳代謝基因表達（圖4–8）

 

 

數據來源：

呼吸鏈：氫酶（hyd）、細胞色素氧化酶（cox）、ATP合酶（圖5）。

 

碳固定：3-羥基丙酸雙循環關鍵酶（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）。

 

 

 

結果：

清晨（05:00）：hyd、cox、TCA循環基因高表達，提示化學混合營養。

正午（11:00）：糖轉運蛋白基因高表達，提示光異養主導。

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

 

4. 晝夜代謝模式整合（圖9）

 

 

數據來源：綜合上述基因表達與環境參數。

結論模型：

日間：光異養（高光高氧）→ 光自養（低光微氧）。

夜間：發酵代謝 → 清晨：化學混合營養（微氧下利用H?/CO自養+有機物異養）。

 

五、丹麥Unisense電極數據的詳細解讀

1. 技術原理與實驗設計

 

原理：Clark電極通過O?在鉑陰極還原產生電流，靈敏度達μmol·L?1級（響應時間<0.5 s）。

設計：

垂直剖面監測（0–2 mm深度，100 μm分辨率）。

每15分鐘自動記錄剖面，持續24小時（圖2）。

 

2. 關鍵結果與生態意義

 

O?動態的代謝驅動：

正午超氧（>900 μmol·L?1）：藍藻光合作用導致，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）。

空間異質性：

表層（0–0.5 mm）：晝夜O?波動劇烈，驅動代謝快速轉換。

深層（>1 mm）：持續缺氧，支持厭氧光合/發酵。

技術優勢：

高時空分辨率：捕捉O?梯度瞬態變化（如午后O?速降），關聯基因表達時移。

原位真實性：避免采樣擾動，真實反映微生物生存微環境。

 

3. 對代謝模型的驗證作用

 

證偽嚴格厭氧假說：檢測到晨間微量O?（<100 μmol·L?1），支持化學混合營養模式。

量化代謝窗口期：確定05:00和15:00為代謝轉換關鍵節點，指導轉錄組采樣設計。

揭示遷移行為：O?剖面暗示C. aggregans晨間向微氧表層遷移，趨氧性可能驅動代謝轉換。

 

六、結論

 

代謝靈活性：C. aggregans通過晝夜代謝轉換（光養→化養、自養→異養）適應動態環境。

生態功能：

日間：利用藍藻分泌物（如乙醛酸）光異養生長。

清晨：利用H?/CO化學自養，成為初級生產者（圖9）。

技術啟示：原位宏轉錄組+微傳感器聯用是解析復雜微生物群落功能的有效范式。

 

圖表示例說明

 

圖1：溫泉采樣點及微生物墊結構（藍藻層+綠彎菌層）。

圖2：O?濃度垂直剖面熱圖（Unisense數據）。

圖3：光合基因晝夜表達模式。

圖5：呼吸鏈基因表達與光照/O?關聯。

圖7：電子供體利用基因表達動態。

圖9：整合代謝模型（光養/化養轉換示意圖）。