挑战海洋微生物传统认识，远洋杆菌细胞分裂数量最新研究发布

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远洋杆菌（SAR11）单细胞海洋细菌家族，是海洋中最常见的有机体。近日，“海洋与湿地”（OceanWetlands）小编阅读了一篇发表在美国微生物协会American Society for Microbiology旗下开放获取期刊mSystems上的最新研究。该研究由马克斯·普朗克海洋微生物学研究所等机构主导，作者包括扬·布鲁厄尔（Jan Brüwer）、伯恩哈德·福克斯（Bernhard Fuchs）和鲁道夫·阿曼（Rudolf Amann）等人。

图源：马克斯普朗克海洋微生物研究所

这项研究显示：有时候，我们所计算的并不一定就是最重要的。这项针对北海细菌细胞分裂数量的新研究挑战了关于海洋微生物生命的一些传统观念。

海水中充满了细菌，每升海水中有数十万个细菌。然而，细菌数量的多少，并不一定代表一切。更重要的是它们的活跃程度和复制速度。

如果科学家想要了解细菌种群的生长速度，通常会测量它们的细胞数量随时间的变化。然而，这种方法存在一个重大缺陷：它不能测量细菌的繁殖或死亡速度。然而，这些因素对于理解生态过程非常重要。因此，位于不来梅的马克斯普朗克海洋微生物研究所的研究人员现在对德国湾的春季蓬勃生长过程进行了深入研究。他们挑战了一些先前的观念。

(注：German Bight（德国湾）是指北海东南部的一片浅海区域，位于德国沿海。它是北海的一部分，与荷兰的沿海地区相邻。德国湾的地理范围大致包括了德国的弗里斯兰群岛、沿海城市布伦斯布特尔、维廷和汉堡附近的地区。这个区域在海洋生态系统和海洋研究中具有重要意义，吸引了许多科学家进行各种研究和调查。)

马克斯普朗克海洋微生物研究所的扬·布鲁厄尔、伯恩哈德·福克斯和鲁道夫·阿曼等研究人员通过多种方法调查了春季蓬勃生长期间细菌的生长情况：他们用显微镜不仅计算和鉴定了存在的细胞数量，还计算了正在分裂的细胞的频率。通过这种方式，他们能够计算出不同类型的细菌在其自然环境中的繁殖速度。

"我们使用现代显微镜方法在成千上万幅图像中可视化和计数分裂细胞，"作为博士论文的一部分进行这项研究的扬·布鲁厄尔解释道。"我们利用了分裂细胞必须将其复制的基因组分配给其子细胞的事实。因此，我们能够根据细胞中的DNA分布清晰地识别这些细胞。"这使得研究人员能够长时间内确定个别细菌群的生长速度。

研究组负责人伯恩哈德·福克斯表示："结果给我们带来了一些惊喜。例如，我们发现海洋中最常见的细菌群SAR11的繁殖速度几乎比预期快十倍。"此外，在许多情况下，测量得到的生长速度与相应细菌的丰度不符合。布鲁厄尔解释说："如果细菌经常分裂但不常见，这表明它们很可能成为捕食者或病毒的目标。"（小编注：说明被其他生物干掉了）细菌繁殖的时机也令人惊讶：SAR11细菌在北海藻类大量繁殖之前经常发生分裂。它们从何处获取所需的能量，至今还仍然是一个谜。

并非所有的细菌群体都像SAR11那样表现出意外情况；对于其他群体，收集到的结果更符合研究人员的预期——在这种情况下，生长速度和细胞数量基本匹配。

迄今为止，人们认为SAR11细菌具有非常小的细胞，可以通过很少的营养物存活，不经常分裂，由于体积小，只很少被捕食者捕食。相反，其他较大的细菌，例如拟杆菌类，被认为是受欢迎的食物，它们繁殖迅速，并在捕食者和病毒追踪它们时迅速消失。但是，布鲁厄尔和他的同事的新研究呈现了一个非常不同的画面。

布鲁厄尔强调："我们的结果影响着我们对元素循环，尤其是海洋中的碳循环的理解。海洋中最常见的细菌群SAR11比以前认为的更活跃，繁殖速度更快。这可能意味着它们需要更少的营养物，是其他生物更受欢迎的食物来源。此外，细菌在藻类大量繁殖期间的总体周转速度似乎比我们之前认为的更快。"

德国马克斯普朗克海洋微生物研究所的所长鲁道夫·阿曼强调："这项研究在方法上要求非常严格，同时也展示了我们可以从显微镜图像中获得多少信息。我为参与其中的研究人员的出色工作感到非常自豪，也很高兴有机会与他们合作。取得的成果将引发许多关于春季蓬勃生长期和整个海洋生态关系的激动人心的讨论。"

SAR11(远洋杆菌) 简介：
细菌类群的特征和重要性

SAR11细菌（Pelagibacterales, 中文常译作远洋杆菌）是一类自由生活的浮游寡营养光合异养细菌，属于Alphaproteobacteria纲。它们是海洋系统中最丰富的浮游细胞群，可能也是世界上数量最多的细菌。在全球碳循环中，SAR11细菌起着重要作用，将来自初级生产的有机化合物氧化为二氧化碳。

SAR11细菌。图片来源：kenyon.edu

SAR11细菌最早是由美国俄勒冈州立大学的Stephen Giovannoni教授及其同事于1990年在萨尔加索海发现的，因此得名SAR11。最初被归类于Rickettsiales目，但在2013年基于rRNA基因的系统发育分析后，被提升为目的级别，成为Rickettsiales亚纲的姊妹目。它们与Rickettsiales目有最密切的亲缘关系。

SAR11细菌为革兰氏阴性杆菌，是自由生活细胞中最小的生物之一（<0.7微米），其细胞体积不到大肠杆菌体积的1/500。它们具有高的表面积与体积比，以更好地从寡营养环境中吸收营养物质。由于适应了低营养和缓慢生长的环境，这些细菌在纯培养条件下很难培养。因此，它们也被认为是自由生活细胞中基因组最小的细菌之一。DOE联合基因组研究所已经测序了SAR11类群的基因组。研究发现，这些细菌形成了三个微型聚类，即在类群内部密切相关的细菌群。令人惊讶的是，与海洋中的SAR11细菌相比，淡水中的细菌基因组遗传多样性较低。此外，研究还发现这些细菌具有合成全部20种氨基酸和几乎所有辅因子所需的完整生物合成途径。目前尚未观察到任何细胞中的假基因、内含子、转座子或额外染色体元素。因此，SAR11细菌是基因组最高效的细菌目。

SAR11细菌的发现和研究，对于理解海洋生态系统和碳循环具有重要意义。由于其在海洋中的丰度和活跃度，它们对维持海洋生态平衡和全球生态系统功能发挥着关键作用。对SAR11细菌的深入研究有助于揭示它们在海洋环境中的生存适应机制以及对全球环境变化的响应。

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编译 | 芊佳

编辑 | 绿茵

排版 | 绿叶

【阅读原文】

Jan D. Brüwer et al. In situ cell division and mortality rates of SAR11, SAR86, Bacteroidetes, and Aurantivirga during phytoplankton blooms reveal differences in population controls. mSystems, 2023 DOI: 10.1128/msystems.01287-22

Max Planck In­sti­tute for Mar­ine Mi­cro­bi­o­logy

https://www.mpi-bremen.de/en/Home.html

Pelagibacterales (SAR11)
https://microbewiki.kenyon.edu/index.php/Pelagibacterales_(SAR11)

Max Planck Institute for Marine Microbiology. "What you count is not necessarily what counts: A new study focusing on the number of dividing bacterial cells in the North Sea challenges some dogmas about marine microbial life.." ScienceDaily. ScienceDaily, 22 May 2023. <www.sciencedaily.com/releases/2023/05/230522131355.htm>.

Morris, R.M., Cain, K.R., Hvorecny, K.L. et al. Lysogenic host–virus interactions in SAR11 marine bacteria. Nat Microbiol 5, 1011–1015 (2020). https://doi.org/10.1038/s41564-020-0725-x

Giovannoni SJ. SAR11 Bacteria: The Most Abundant Plankton in the Oceans. Ann Rev Mar Sci. 2017 Jan 3;9:231-255. doi: 10.1146/annurev-marine-010814-015934. Epub 2016 Sep 28. PMID: 27687974.

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