摘要克马德克海沟Kermadec Trench呈现出典型的深海海沟特征包括黑暗、极高的静水压力以及 V 形形态。尽管环境条件恶劣克马德克海沟水体中底栖微生物的种群规模与活性却高于相邻的深海平原构成了显著的悖论。本研究借助奋斗者号载人潜水器对沉积物样品进行原位 RNA 固定in situ RNA fixation以在基因组与转录组水平上逼近微生物代谢的自然状态。研究人员重建了1369 个宏基因组组装基因组metagenome-assembled genomes, MAGs揭示了以编码靶向复杂大分子如肽聚糖和 β-1,4-甘露聚糖的碳水化合物活性酶carbohydrate-active enzymes, CAZymes为主的主导异养谱系。这些降解过程与利用氧气、硝酸盐和亚硝酸盐作为电子受体的灵活呼吸途径在转录水平上相互耦合。共表达分析与微生物共现网络表明氧化还原分层驱动了生态位分化斜坡群落偏好氧化途径而底部群落富集还原代谢包括反硝化与氧化亚氮N₂O还原。尽管组成存在差异两类栖息地均表现出以大分子循环和氧化还原耦合呼吸为核心的保守功能策略。研究结果表明有机物再矿化与电子受体多样性的协调系统支撑着地球最深海床生态系统中微生物的存活。Keywords克马德克海沟寡营养沉积物宏基因组组装基因组碳水化合物活性酶原位 RNA 固定氧化还原分层电子受体多样性共现网络文献信息Lv, Y., Liu, P., Liu, Y., Dong, L., Li, J., Zhang, Y. (2026). Redox-stratified macromolecule degradation supports microbial survival in the oligotrophic Kermadec Trench sediments.Nature Communications.DOIhttps://doi.org/10.1038/s41467-026-77249-x期刊Nature CommunicationsIF 18.1JCR Q1中科院综合性期刊1区Top接收时间2026年8月13日在线发表时间2026年8月25日研究总结氧化还原分层的大分子降解背景克马德克海沟水深10047米寡营养且低氧化电位底栖微生物生物量异常偏高传统采样难以捕获原位代谢状态方法奋斗者号载人潜水器原位RNAlater固定16个沉积物理样42个宏基因组和16个宏转录组数据集1369个中高质量MAGs重构CAZymes与电子受体通路注释共现网络与Mantel检验主要结果异养谱系主导大分子降解肽聚糖和β-1,4-甘露聚糖靶向降解CAZymes转录与呼吸途径耦合591个MAGs可利用氧气为电子受体斜坡偏好强氧化剂氧化代谢底部富集反硝化与N2O还原模块M2在底部显著富集意义大分子回收与电子受体灵活性协调氧化还原分层驱动生态位分化为超深渊生态系统生物地球化学循环提供机制解释背景介绍位于南太平洋的克马德克海沟其表层初级生产力极低约 380 mg C m⁻² d⁻¹显著低于阿塔卡马海沟910 mg C m⁻² d⁻¹和日本海沟760 mg C m⁻² d⁻¹。这导致颗粒有机质particulate organic matter, POM向下通量受限抵达海沟底部的有机质主要由源自微生物坏死物质与降解浮游碎屑的难降解大分子如多糖和肽聚糖构成。克马德克沉积物的总有机碳total organic carbon, TOC含量为 0.21%-0.35% wt与寡营养的北太平洋环流相当凸显了该超深渊生态系统严重的有机碳限制。这种寡营养胁迫因沉积物低氧化电位而加剧。尽管有机输入有限克马德克海沟的氧穿透深度oxygen penetration depth, OPD较浅约 10 cm其氧摄取率却与生产力更高的海沟系统相仿。这种表观错配暗示微生物群落可能利用硝酸盐、亚硝酸盐或硫物种等替代电子受体补充氧呼吸这一策略在既往研究中已有观察。然而赋予这种代谢灵活性的底层基因组与转录组能力仍知之甚少。特别是微生物如何在原位将难降解大分子的降解与多种末端电子受体的利用相耦合仍是一个悬而未决的问题。为解答这些问题本研究利用来自克马德克海沟沉积物的 42 个宏基因组和 16 个宏转录组数据集包括 16 个原位 RNA 固定样品开展了基因组解析的综合研究。研究人员揭示了具有显著代谢多样性的微生物群落其能够降解多样的大分子并利用氧气之外的广谱末端电子受体。网络分析揭示了氧化还原分层驱动的生态位分化大分子降解与电子受体通路的共转录表明两者之间存在紧密的功能耦合。这些结果揭示了极端寡营养栖息地中微生物的生存策略并为超深渊生态系统中微生物生物地球化学作用的机制理解提供了依据。重要结果结果1克马德克海沟微生物的多样性与转录活性本研究使用了来自两次下潜、水深约 10 km 的 16 个样品生成了 9 个宏基因组数据集和 9 个宏转录组数据集。采集后立即用 RNAlater 稳定处理确保了数据忠实反映原位微生物群落结构与转录活性。宏基因组数据组装产生 25,949,825 个重叠群≥1000 bp经分箱与去冗余后获得了1369 个中高质量代表性 MAGs完整度 50%、污染率 10%其中包括 464 个高质量 MAGs完整度 90%、污染率 5%。MAGs 分类显示包含 99 个古菌 MAG 和 1250 个细菌 MAG跨越 5 个古菌门和 45 个细菌门。基于 MAGs 的 RPKM 值进行无监督聚类样品清晰分离为两组斜坡slope水深 9 km和底部bottom水深 9 km非度量多维尺度分析non-metric multidimensional scaling, NMDS显示两组间存在显著差异Adonis 检验p0.001。通过评估转录活性研究人员基于这些活跃转录的基因及其功能注释确定了每个 MAG 的功能角色。Figure 1 图例(a) 海沟斜坡采样点测深图红星表示采样点标签指示站位代码(b) 基于代表性 MAGs 串联保守单拷贝标记基因构建的最大似然系统发育树外环颜色指示门级分类归属“others” 包括属于 MAGs 少于 10 个的门级谱系。结果2大分子降解与利用研究人员聚焦于编码参与碳水化合物降解的胞外碳水化合物活性酶CAZymes的基因。共鉴定出 4367 个 CAZyme 基因包括 4167 个糖苷水解酶glycoside hydrolase, GH基因和 200 个多糖裂解酶基因所有识别的基因均处于活跃转录状态。基于宏基因组和宏转录组数据集斜坡与底部样品中表达量最高的前十家族保持一致这十个 CAZymes 约占总 CAZymes 的 70%宏基因组数据集为 75.37±9.05%宏转录组数据集为 70.49±8.08%。根据 CAZy 数据库这些酶可分为两类功能组一类主要靶向多糖和肽聚糖等大分子如 GH23、GH103、GH102另一类靶向低分子量low-molecular-weight, LMW有机底物如 GH2、GH3、GH109。大分子降解酶产生寡糖与肽进一步分解为氨基酸、更小的寡糖或单糖随后转运至微生物细胞内以支持生长或能量产生。例如GH113 将 β-1,4-甘露聚糖降解为甘露寡糖随后由 GH2 等酶处理为葡萄糖和甘露糖这些单糖可进入磷酸戊糖途径或糖酵解等中心代谢途径。大分子降解相关基因的 TPM 值与中心碳水化合物代谢相关基因的 TPM 值显著相关双侧 Spearman 检验R0.78P0.01。在代表性 MAGs 中179 个 MAGs 具有固碳能力651 个 MAGs 可利用大分子。基于宏基因组 RPKM 值具有固碳能力的 MAGs 占 8.58±0.78%而代表能利用高分子量化合物的 MAGs 占 63.08±7.50%。这些结果共同表明克马德克海沟沉积物中的异养微生物群落主要通过大分子有机质的降解而非固碳来维持。Figure 2 图例(a, b) 斜坡与底部样品中 CAZyme 基因家族的相对丰度基于宏基因组 RPKM 与宏转录组 TPM仅显示丰度前十大 CAZyme 基因家族其余归为 “Other”上方彩色横条指示斜坡与底部样品。结果3大分子降解与潜在电子受体利用的相关性在 651 个可利用大分子的 MAGs 中基于活跃转录的基因研究人员发现 591 个 MAGs 可利用氧气作为电子受体其中 178、250 和 379 个 MAGs 还可分别利用硝酸盐、亚硝酸盐和硫酸盐等其他电子受体。在其余 60 个缺乏复合体 IV 相关基因的 MAGs 中分别有 17、12 和 24 个 MAGs 活跃转录了参与硝酸盐、亚硝酸盐和硫酸盐还原的基因。在转录活性方面与氧气相关的基因占总转录活性的 53.55±2.66%其次是亚硝酸盐24.92±3.65%和硝酸盐12.69±4.14%。主要相关基因包括 coxABCD复合体 IV、nirK亚硝酸还原 I和 ccoNOPQ复合体 IV分别对全部相关基因贡献了 30.68±5.40%、18.78±4.67% 和 15.29±1.68%。尽管主要电子受体相似研究人员观察到底部与斜坡沉积样品中还原途径相关基因的转录存在显著差异Adonis 检验p0.043。因此研究人员将底部和斜坡样品分开进行 Mantel 检验分析计算七大最活跃 CAZymes 与电子受体之间的相关性。结果显示斜坡样品中存在 11 个显著相关主要涉及 GH171、GH113 和 GH77以氧气、硝酸盐和亚硝酸盐为主要电子受体。相比之下底部样品显示出更广泛的关联电子受体范围包括 N₂O相关主要围绕 GH113。具体的还原途径也存在差异底部沉积物中氧气还原仅由 ccoNOPQ复合体 IV介导而斜坡沉积物中则由 ccoNOPQ 和 cydAB复合体 III共同介导亚硝酸盐还原从底部的 nirS 介导的反硝化nitrite_II和 nrfAH 介导的异化亚硝酸盐还原nitrite_III转变为斜坡的 nirK 介导的反硝化nitrite_I和 nirBD 介导的异化亚硝酸盐还原。Pielou 均匀度指数进一步表明底部样品的多样性显著更高Wilcoxon 秩和检验P0.001。这些发现表明在克马德克海沟中除氧气外的电子受体也参与大分子降解。斜坡样品主要依赖强氧化电子受体如氧气、硝酸盐和亚硝酸盐而底部样品还利用了氧化电位较弱的电子受体。Figure 3 图例(a) 651 个 MAGs 中电子受体利用概览(b, c) 基于底部B和斜坡S沉积物的宏转录组数据评估 CAZymes 表达与电子受体反应之间相关性的 Mantel 检验分析相关性采用双侧 Spearman 秩相关检验。结果4基于共现网络的电子受体利用差异基于 RPKM 值研究人员构建了一个微生物共现网络该网络由 359 个节点和 5566 条边组成。使用 cluster_louvain 算法进行社区检测识别出 10 个模块。考虑到模块大小后续分析聚焦于各含约 100 个节点的模块 M1、M2 和 M3。根据宏基因组 RPKM 值推断的 MAGs 相对丰度模块 M2 在底部样品中表现出显著更高的相对丰度而模块 M1 和 M3 在斜坡样品中显著富集Wilcoxon 秩和检验P0.001。在这三个模块中M1 有 80 个73.39%、M2 有 56 个54.90%、M3 有 80 个82.47%MAGs 被鉴定为具有大分子有机质降解能力。基于 TPM 值的宏转录组分析显示氧气、亚硝酸盐和硝酸盐是三个模块中主要的末端电子受体。值得注意的是与硝酸盐还原相关的基因在 M2 中的 TPM 值显著高于 M1 和 M3。在同一模块内当一条边连接的两个节点分别代表i能够消耗硝酸盐的大分子降解 MAG 和ii能够产生硝酸盐的 MAG 时研究人员推断后者可作为前者的电子受体提供者。三个模块中硝酸盐和亚硝酸盐的来源存在差异但斜坡与底部样品间观察到相似趋势。关于硝酸盐亚硝酸盐氧化在 M1 和 M3 中比在 M2 中更活跃而与反硝化相关的 TPM 值在 M2 中显著高于 M1 和 M3这一模式在底部样品中尤为明显。这些发现与 Mantel 检验结果一致表明斜坡样品具有更强的氧化能力以电子受体氧化过程的活跃为特征特别是亚硝酸盐氧化而底部样品则以还原过程为主导。在全群落水平上协惯量分析co-inertia analysis证明宏基因组RV0.8014p0.001和宏转录组RV0.4330p0.026数据集中电子受体相关基因的丰度与 TPM 值和微生物群落组成显著相关。Figure 4 图例(a) 微生物共现网络节点颜色指示模块归属M1、M2、M3节点大小与连接度成正比(b) 模块 M1、M2、M3 在斜坡与底部样品中的相对丰度分布M2 在底部显著富集M1 和 M3 在斜坡显著富集箱体中心为中位线箱体边界为 25% 和 75% 分位数须线延伸至 1.5 倍四分位距内的最小和最大值点为单个样品***p0.001。方法学参考2022年TS29航次16个沉积物样品0-10 cm 表层沉积物奋斗者号载人潜水器原位RNAlater固定26个已发表宏基因组数据集整合共计42个宏基因组质控与组装获得25,949,825个重叠群MAGs分箱与去冗余1369个中高质量MAGs基因预测与功能注释KEGG KO与CAZy家族胞外酶分泌信号预测宏转录组rRNA去除 reads 比对定量转录本丰度基于RPKM的MAGs相对丰度NMDS与Adonis检验斜坡-底部群落分离Mantel检验CAZymes-电子受体转录耦合microeco R包构建共现网络Random Matrix Theory阈值0.81Louvain算法模块检测协惯量分析群落-电子受体关联氧化还原分层驱动生态位分化结论可供参考的关键方法① 使用奋斗者号载人潜水器操作深海沉积物 RNA 固定采样器在采集后即刻用 RNAlater 固定最大程度上保留原位转录状态② 整合 16 个原位固定样品与 26 个已发表数据集构成 42 个宏基因组和 16 个宏转录组的综合分析矩阵③ 采用 completeness 50% 且 contamination 10% 的标准筛选中高质量 MAGs确保下游功能注释可靠性④ 利用 Random Matrix Theory 方法确定 Spearman 相关系数的网络构建阈值0.81降低噪声⑤ 结合 NMDS、Adonis 检验、Mantel 检验与协惯量分析从群落结构、转录耦合和网络模块三个维度解析氧化还原分层⑥ 代码已开源https://github.com/Gu2uMo/custom-script总结本研究针对克马德克海沟寡营养沉积物中微生物生物量异常偏高的悖论通过奋斗者号载人潜水器开展原位 RNA 固定整合 42 个宏基因组与 16 个宏转录组数据集重构了 1369 个 MAGs系统揭示了超深渊微生物的生存策略。研究的核心发现可归纳为两方面。在营养获取层面异养微生物群落通过降解源自细胞衰亡与沉降碎屑的大分子特别是肽聚糖、唾液酸化多糖和 β-1,4-甘露聚糖维持生存。大分子降解相关基因的转录与中心碳水化合物代谢基因显著相关R0.78P0.01且 63.08±7.50% 的 MAGs 具备大分子利用能力表明异养微生物群落主要通过大分子有机质的降解而非固碳来维持。在能量代谢层面微生物展现出显著的电子受体灵活性591 个 MAGs 可利用氧气其中相当部分还能利用硝酸盐、亚硝酸盐或硫酸盐。转录水平上氧气、亚硝酸盐和硝酸盐的基因分别占总转录活性的 53.55±2.66%、24.92±3.65% 和 12.69±4.14%。氧化还原分层驱动了显著的生态位分化。斜坡群落偏好利用强氧化剂氧气、硝酸盐、亚硝酸盐其氧气还原由 ccoNOPQ 和 cydAB 共同介导而底部群落还利用了氧化电位较弱的电子受体如 N₂O氧气还原仅由高亲和力的 cbb3 型细胞色素 c 氧化酶ccoNOPQ介导并富集了 nirS 介导的反硝化与 N₂O 还原等还原代谢。共现网络分析进一步显示模块 M2 在底部样品中显著富集其硝酸盐还原相关基因转录水平显著高于斜坡富集的模块 M1 和 M3。尽管群落组成存在空间分异两类栖息地均表现出以大分子循环和氧化还原耦合呼吸为核心的保守功能策略。这一发现深化了对超深渊微生物生态学的理解并提示大分子降解与灵活呼吸策略的耦合可能支撑着其他深海生态系统中的生物地球化学循环。未来研究需对原位地球化学与微生物活性进行直接监测以定量评估这些过程的生态影响。参考文献Lv, Y., Liu, P., Liu, Y., Dong, L., Li, J., Zhang, Y. (2026). Redox-stratified macromolecule degradation supports microbial survival in the oligotrophic Kermadec Trench sediments.Nature Communications. https://doi.org/10.1038/s41467-026-77249-x宏基因组与宏转录组测序数据存于国家基因组数据中心NGDC基因组序列档案GSA登录号 CRA022127关联 BioProject PRJCA034948本研究生成的 MAGs 存于 NGDC 基因组仓库GWH登录号 GWHJRBT00000000.1 至 GWHJTBP00000000.1MAG 数据集副本可通过 Figshare 获取https://doi.org/10.6084/m9.figshare.31203940自定义分析脚本https://github.com/Gu2uMo/custom-scriptNature Communications期刊主页https://www.nature.com/ncomms/2025 JIF 18.1, JCR Q1 NC｜氧化还原分层的大分子降解支撑克马德克海沟寡营养沉积物中微生物存活
摘要克马德克海沟Kermadec Trench呈现出典型的深海海沟特征包括黑暗、极高的静水压力以及 V 形形态。尽管环境条件恶劣克马德克海沟水体中底栖微生物的种群规模与活性却高于相邻的深海平原构成了显著的悖论。本研究借助奋斗者号载人潜水器对沉积物样品进行原位 RNA 固定in situ RNA fixation以在基因组与转录组水平上逼近微生物代谢的自然状态。研究人员重建了1369 个宏基因组组装基因组metagenome-assembled genomes, MAGs揭示了以编码靶向复杂大分子如肽聚糖和 β-1,4-甘露聚糖的碳水化合物活性酶carbohydrate-active enzymes, CAZymes为主的主导异养谱系。这些降解过程与利用氧气、硝酸盐和亚硝酸盐作为电子受体的灵活呼吸途径在转录水平上相互耦合。共表达分析与微生物共现网络表明氧化还原分层驱动了生态位分化斜坡群落偏好氧化途径而底部群落富集还原代谢包括反硝化与氧化亚氮N₂O还原。尽管组成存在差异两类栖息地均表现出以大分子循环和氧化还原耦合呼吸为核心的保守功能策略。研究结果表明有机物再矿化与电子受体多样性的协调系统支撑着地球最深海床生态系统中微生物的存活。Keywords克马德克海沟寡营养沉积物宏基因组组装基因组碳水化合物活性酶原位 RNA 固定氧化还原分层电子受体多样性共现网络文献信息Lv, Y., Liu, P., Liu, Y., Dong, L., Li, J., Zhang, Y. (2026). Redox-stratified macromolecule degradation supports microbial survival in the oligotrophic Kermadec Trench sediments.Nature Communications.DOIhttps://doi.org/10.1038/s41467-026-77249-x期刊Nature CommunicationsIF 18.1JCR Q1中科院综合性期刊1区Top接收时间2026年8月13日在线发表时间2026年8月25日研究总结氧化还原分层的大分子降解背景克马德克海沟水深10047米寡营养且低氧化电位底栖微生物生物量异常偏高传统采样难以捕获原位代谢状态方法奋斗者号载人潜水器原位RNAlater固定16个沉积物理样42个宏基因组和16个宏转录组数据集1369个中高质量MAGs重构CAZymes与电子受体通路注释共现网络与Mantel检验主要结果异养谱系主导大分子降解肽聚糖和β-1,4-甘露聚糖靶向降解CAZymes转录与呼吸途径耦合591个MAGs可利用氧气为电子受体斜坡偏好强氧化剂氧化代谢底部富集反硝化与N2O还原模块M2在底部显著富集意义大分子回收与电子受体灵活性协调氧化还原分层驱动生态位分化为超深渊生态系统生物地球化学循环提供机制解释背景介绍位于南太平洋的克马德克海沟其表层初级生产力极低约 380 mg C m⁻² d⁻¹显著低于阿塔卡马海沟910 mg C m⁻² d⁻¹和日本海沟760 mg C m⁻² d⁻¹。这导致颗粒有机质particulate organic matter, POM向下通量受限抵达海沟底部的有机质主要由源自微生物坏死物质与降解浮游碎屑的难降解大分子如多糖和肽聚糖构成。克马德克沉积物的总有机碳total organic carbon, TOC含量为 0.21%-0.35% wt与寡营养的北太平洋环流相当凸显了该超深渊生态系统严重的有机碳限制。这种寡营养胁迫因沉积物低氧化电位而加剧。尽管有机输入有限克马德克海沟的氧穿透深度oxygen penetration depth, OPD较浅约 10 cm其氧摄取率却与生产力更高的海沟系统相仿。这种表观错配暗示微生物群落可能利用硝酸盐、亚硝酸盐或硫物种等替代电子受体补充氧呼吸这一策略在既往研究中已有观察。然而赋予这种代谢灵活性的底层基因组与转录组能力仍知之甚少。特别是微生物如何在原位将难降解大分子的降解与多种末端电子受体的利用相耦合仍是一个悬而未决的问题。为解答这些问题本研究利用来自克马德克海沟沉积物的 42 个宏基因组和 16 个宏转录组数据集包括 16 个原位 RNA 固定样品开展了基因组解析的综合研究。研究人员揭示了具有显著代谢多样性的微生物群落其能够降解多样的大分子并利用氧气之外的广谱末端电子受体。网络分析揭示了氧化还原分层驱动的生态位分化大分子降解与电子受体通路的共转录表明两者之间存在紧密的功能耦合。这些结果揭示了极端寡营养栖息地中微生物的生存策略并为超深渊生态系统中微生物生物地球化学作用的机制理解提供了依据。重要结果结果1克马德克海沟微生物的多样性与转录活性本研究使用了来自两次下潜、水深约 10 km 的 16 个样品生成了 9 个宏基因组数据集和 9 个宏转录组数据集。采集后立即用 RNAlater 稳定处理确保了数据忠实反映原位微生物群落结构与转录活性。宏基因组数据组装产生 25,949,825 个重叠群≥1000 bp经分箱与去冗余后获得了1369 个中高质量代表性 MAGs完整度 50%、污染率 10%其中包括 464 个高质量 MAGs完整度 90%、污染率 5%。MAGs 分类显示包含 99 个古菌 MAG 和 1250 个细菌 MAG跨越 5 个古菌门和 45 个细菌门。基于 MAGs 的 RPKM 值进行无监督聚类样品清晰分离为两组斜坡slope水深 9 km和底部bottom水深 9 km非度量多维尺度分析non-metric multidimensional scaling, NMDS显示两组间存在显著差异Adonis 检验p0.001。通过评估转录活性研究人员基于这些活跃转录的基因及其功能注释确定了每个 MAG 的功能角色。Figure 1 图例(a) 海沟斜坡采样点测深图红星表示采样点标签指示站位代码(b) 基于代表性 MAGs 串联保守单拷贝标记基因构建的最大似然系统发育树外环颜色指示门级分类归属“others” 包括属于 MAGs 少于 10 个的门级谱系。结果2大分子降解与利用研究人员聚焦于编码参与碳水化合物降解的胞外碳水化合物活性酶CAZymes的基因。共鉴定出 4367 个 CAZyme 基因包括 4167 个糖苷水解酶glycoside hydrolase, GH基因和 200 个多糖裂解酶基因所有识别的基因均处于活跃转录状态。基于宏基因组和宏转录组数据集斜坡与底部样品中表达量最高的前十家族保持一致这十个 CAZymes 约占总 CAZymes 的 70%宏基因组数据集为 75.37±9.05%宏转录组数据集为 70.49±8.08%。根据 CAZy 数据库这些酶可分为两类功能组一类主要靶向多糖和肽聚糖等大分子如 GH23、GH103、GH102另一类靶向低分子量low-molecular-weight, LMW有机底物如 GH2、GH3、GH109。大分子降解酶产生寡糖与肽进一步分解为氨基酸、更小的寡糖或单糖随后转运至微生物细胞内以支持生长或能量产生。例如GH113 将 β-1,4-甘露聚糖降解为甘露寡糖随后由 GH2 等酶处理为葡萄糖和甘露糖这些单糖可进入磷酸戊糖途径或糖酵解等中心代谢途径。大分子降解相关基因的 TPM 值与中心碳水化合物代谢相关基因的 TPM 值显著相关双侧 Spearman 检验R0.78P0.01。在代表性 MAGs 中179 个 MAGs 具有固碳能力651 个 MAGs 可利用大分子。基于宏基因组 RPKM 值具有固碳能力的 MAGs 占 8.58±0.78%而代表能利用高分子量化合物的 MAGs 占 63.08±7.50%。这些结果共同表明克马德克海沟沉积物中的异养微生物群落主要通过大分子有机质的降解而非固碳来维持。Figure 2 图例(a, b) 斜坡与底部样品中 CAZyme 基因家族的相对丰度基于宏基因组 RPKM 与宏转录组 TPM仅显示丰度前十大 CAZyme 基因家族其余归为 “Other”上方彩色横条指示斜坡与底部样品。结果3大分子降解与潜在电子受体利用的相关性在 651 个可利用大分子的 MAGs 中基于活跃转录的基因研究人员发现 591 个 MAGs 可利用氧气作为电子受体其中 178、250 和 379 个 MAGs 还可分别利用硝酸盐、亚硝酸盐和硫酸盐等其他电子受体。在其余 60 个缺乏复合体 IV 相关基因的 MAGs 中分别有 17、12 和 24 个 MAGs 活跃转录了参与硝酸盐、亚硝酸盐和硫酸盐还原的基因。在转录活性方面与氧气相关的基因占总转录活性的 53.55±2.66%其次是亚硝酸盐24.92±3.65%和硝酸盐12.69±4.14%。主要相关基因包括 coxABCD复合体 IV、nirK亚硝酸还原 I和 ccoNOPQ复合体 IV分别对全部相关基因贡献了 30.68±5.40%、18.78±4.67% 和 15.29±1.68%。尽管主要电子受体相似研究人员观察到底部与斜坡沉积样品中还原途径相关基因的转录存在显著差异Adonis 检验p0.043。因此研究人员将底部和斜坡样品分开进行 Mantel 检验分析计算七大最活跃 CAZymes 与电子受体之间的相关性。结果显示斜坡样品中存在 11 个显著相关主要涉及 GH171、GH113 和 GH77以氧气、硝酸盐和亚硝酸盐为主要电子受体。相比之下底部样品显示出更广泛的关联电子受体范围包括 N₂O相关主要围绕 GH113。具体的还原途径也存在差异底部沉积物中氧气还原仅由 ccoNOPQ复合体 IV介导而斜坡沉积物中则由 ccoNOPQ 和 cydAB复合体 III共同介导亚硝酸盐还原从底部的 nirS 介导的反硝化nitrite_II和 nrfAH 介导的异化亚硝酸盐还原nitrite_III转变为斜坡的 nirK 介导的反硝化nitrite_I和 nirBD 介导的异化亚硝酸盐还原。Pielou 均匀度指数进一步表明底部样品的多样性显著更高Wilcoxon 秩和检验P0.001。这些发现表明在克马德克海沟中除氧气外的电子受体也参与大分子降解。斜坡样品主要依赖强氧化电子受体如氧气、硝酸盐和亚硝酸盐而底部样品还利用了氧化电位较弱的电子受体。Figure 3 图例(a) 651 个 MAGs 中电子受体利用概览(b, c) 基于底部B和斜坡S沉积物的宏转录组数据评估 CAZymes 表达与电子受体反应之间相关性的 Mantel 检验分析相关性采用双侧 Spearman 秩相关检验。结果4基于共现网络的电子受体利用差异基于 RPKM 值研究人员构建了一个微生物共现网络该网络由 359 个节点和 5566 条边组成。使用 cluster_louvain 算法进行社区检测识别出 10 个模块。考虑到模块大小后续分析聚焦于各含约 100 个节点的模块 M1、M2 和 M3。根据宏基因组 RPKM 值推断的 MAGs 相对丰度模块 M2 在底部样品中表现出显著更高的相对丰度而模块 M1 和 M3 在斜坡样品中显著富集Wilcoxon 秩和检验P0.001。在这三个模块中M1 有 80 个73.39%、M2 有 56 个54.90%、M3 有 80 个82.47%MAGs 被鉴定为具有大分子有机质降解能力。基于 TPM 值的宏转录组分析显示氧气、亚硝酸盐和硝酸盐是三个模块中主要的末端电子受体。值得注意的是与硝酸盐还原相关的基因在 M2 中的 TPM 值显著高于 M1 和 M3。在同一模块内当一条边连接的两个节点分别代表i能够消耗硝酸盐的大分子降解 MAG 和ii能够产生硝酸盐的 MAG 时研究人员推断后者可作为前者的电子受体提供者。三个模块中硝酸盐和亚硝酸盐的来源存在差异但斜坡与底部样品间观察到相似趋势。关于硝酸盐亚硝酸盐氧化在 M1 和 M3 中比在 M2 中更活跃而与反硝化相关的 TPM 值在 M2 中显著高于 M1 和 M3这一模式在底部样品中尤为明显。这些发现与 Mantel 检验结果一致表明斜坡样品具有更强的氧化能力以电子受体氧化过程的活跃为特征特别是亚硝酸盐氧化而底部样品则以还原过程为主导。在全群落水平上协惯量分析co-inertia analysis证明宏基因组RV0.8014p0.001和宏转录组RV0.4330p0.026数据集中电子受体相关基因的丰度与 TPM 值和微生物群落组成显著相关。Figure 4 图例(a) 微生物共现网络节点颜色指示模块归属M1、M2、M3节点大小与连接度成正比(b) 模块 M1、M2、M3 在斜坡与底部样品中的相对丰度分布M2 在底部显著富集M1 和 M3 在斜坡显著富集箱体中心为中位线箱体边界为 25% 和 75% 分位数须线延伸至 1.5 倍四分位距内的最小和最大值点为单个样品***p0.001。方法学参考2022年TS29航次16个沉积物样品0-10 cm 表层沉积物奋斗者号载人潜水器原位RNAlater固定26个已发表宏基因组数据集整合共计42个宏基因组质控与组装获得25,949,825个重叠群MAGs分箱与去冗余1369个中高质量MAGs基因预测与功能注释KEGG KO与CAZy家族胞外酶分泌信号预测宏转录组rRNA去除 reads 比对定量转录本丰度基于RPKM的MAGs相对丰度NMDS与Adonis检验斜坡-底部群落分离Mantel检验CAZymes-电子受体转录耦合microeco R包构建共现网络Random Matrix Theory阈值0.81Louvain算法模块检测协惯量分析群落-电子受体关联氧化还原分层驱动生态位分化结论可供参考的关键方法① 使用奋斗者号载人潜水器操作深海沉积物 RNA 固定采样器在采集后即刻用 RNAlater 固定最大程度上保留原位转录状态② 整合 16 个原位固定样品与 26 个已发表数据集构成 42 个宏基因组和 16 个宏转录组的综合分析矩阵③ 采用 completeness 50% 且 contamination 10% 的标准筛选中高质量 MAGs确保下游功能注释可靠性④ 利用 Random Matrix Theory 方法确定 Spearman 相关系数的网络构建阈值0.81降低噪声⑤ 结合 NMDS、Adonis 检验、Mantel 检验与协惯量分析从群落结构、转录耦合和网络模块三个维度解析氧化还原分层⑥ 代码已开源https://github.com/Gu2uMo/custom-script总结本研究针对克马德克海沟寡营养沉积物中微生物生物量异常偏高的悖论通过奋斗者号载人潜水器开展原位 RNA 固定整合 42 个宏基因组与 16 个宏转录组数据集重构了 1369 个 MAGs系统揭示了超深渊微生物的生存策略。研究的核心发现可归纳为两方面。在营养获取层面异养微生物群落通过降解源自细胞衰亡与沉降碎屑的大分子特别是肽聚糖、唾液酸化多糖和 β-1,4-甘露聚糖维持生存。大分子降解相关基因的转录与中心碳水化合物代谢基因显著相关R0.78P0.01且 63.08±7.50% 的 MAGs 具备大分子利用能力表明异养微生物群落主要通过大分子有机质的降解而非固碳来维持。在能量代谢层面微生物展现出显著的电子受体灵活性591 个 MAGs 可利用氧气其中相当部分还能利用硝酸盐、亚硝酸盐或硫酸盐。转录水平上氧气、亚硝酸盐和硝酸盐的基因分别占总转录活性的 53.55±2.66%、24.92±3.65% 和 12.69±4.14%。氧化还原分层驱动了显著的生态位分化。斜坡群落偏好利用强氧化剂氧气、硝酸盐、亚硝酸盐其氧气还原由 ccoNOPQ 和 cydAB 共同介导而底部群落还利用了氧化电位较弱的电子受体如 N₂O氧气还原仅由高亲和力的 cbb3 型细胞色素 c 氧化酶ccoNOPQ介导并富集了 nirS 介导的反硝化与 N₂O 还原等还原代谢。共现网络分析进一步显示模块 M2 在底部样品中显著富集其硝酸盐还原相关基因转录水平显著高于斜坡富集的模块 M1 和 M3。尽管群落组成存在空间分异两类栖息地均表现出以大分子循环和氧化还原耦合呼吸为核心的保守功能策略。这一发现深化了对超深渊微生物生态学的理解并提示大分子降解与灵活呼吸策略的耦合可能支撑着其他深海生态系统中的生物地球化学循环。未来研究需对原位地球化学与微生物活性进行直接监测以定量评估这些过程的生态影响。参考文献Lv, Y., Liu, P., Liu, Y., Dong, L., Li, J., Zhang, Y. (2026). Redox-stratified macromolecule degradation supports microbial survival in the oligotrophic Kermadec Trench sediments.Nature Communications. https://doi.org/10.1038/s41467-026-77249-x宏基因组与宏转录组测序数据存于国家基因组数据中心NGDC基因组序列档案GSA登录号 CRA022127关联 BioProject PRJCA034948本研究生成的 MAGs 存于 NGDC 基因组仓库GWH登录号 GWHJRBT00000000.1 至 GWHJTBP00000000.1MAG 数据集副本可通过 Figshare 获取https://doi.org/10.6084/m9.figshare.31203940自定义分析脚本https://github.com/Gu2uMo/custom-scriptNature Communications期刊主页https://www.nature.com/ncomms/2025 JIF 18.1, JCR Q1