摘要：https://microbiomejournal.biomedcentral.com/articles/10.1186/s40168-025-02077-y● 合作作者： Shiyan Zhuo (卓仕燕)；Meng Li (李猛)；Jie Pan (潘杰)

强碱性生态系统中候选门级辐射类群（CPR）新型共生生活方式及生态意义

Candidate Phyla Radiation (CPR) bacteria from hyperalkaline ecosystems provide novel insight into their symbiotic lifestyle and ecological implications

研究论文

● 期刊：Microbiome (IF:13.8)

● DOI：

●原文链接:

● 发表日期：2025-4-7

● 主要单位：

摘要Abstract

候选门级辐射类群（CPR）是一类多样且分布广泛的未培养细菌，以其极小的细胞体积和共生生活方式为显著特征。尽管CPR细菌已在多种环境中被检测到，但对其分布规律、生物学特性以及与宿主关系的了解仍较为有限。本研究以类似蛇纹岩的强碱性环境作为简化模型，深入探究了极端条件下CPR类群的特性及其与宿主的相互作用。课题组在对一强碱性环境系统中的微生物群落分析发现，CPR细菌占本地微生物群落的1.93-34.8%，并成功构建了12个新型CPR宏基因组组装基因组（MAGs），分别隶属于Candidatus Paceibacterales、UBA6257和UBA9973目。有趣的是，这些基因组普遍携带有与叶酸（维生素B9）辅助因子生物合成相关的基因，例如二氢叶酸还原酶（folA）、丝氨酸羟甲基转移酶（glyA）和亚甲基四氢叶酸还原酶（folD）。进一步的共现网络分析显示，两个缺乏folA基因的营养缺陷型细菌与部分携带folA基因的CPR细菌具有紧密的联系，可能是这些CPR细菌的潜在宿主。异源表达实验证实CPR来源的folA基因能够恢复大肠杆菌MG1655的folA基因敲除株（folA）的生长能力，证明这些基因具有酶活性。进一步对目前所有已报道的4581个CPR基因组功能的系统分析揭示，叶酸生物合成相关基因在系统发育上多样化的CPR细菌中广泛存在，提示CPR与其宿主之间可能存在普遍的叶酸代谢互补性。该研究表明强碱性环境可作为CPR细菌的重要栖息地，并强调了CPR超门中叶酸代谢的普遍性及其对宿主或共存微生物群落可能具有重要的生态意义。

引言Introduction

候选门级辐射类群（Candidate pHyla Radiation，CPR），又称髌骨细菌门（Candidatus Patescibacteria），是细菌域内一个重要的单系分支，其发现极大地扩展了生命之树。CPR细菌广泛分布于多样化的天然与人工生态系统，包括牙菌斑、土壤、地下水、高盐湖、废水处理厂、酸性矿山废水及海洋沉积物等。由于其高度简化的基因组和有限的代谢能力，CPR细菌通常与宿主形成共生关系，依赖宿主提供必需的营养物质以维持生存。

已发表研究通过宏基因组学和有限的培养分析，揭示了CPR细菌与宿主之间寄生的特性。然而，越来越多的证据表明，CPR与宿主的关系远非单纯的寄生模式。例如，CPR可能通过协助宿主抵御噬菌体侵袭，或通过发酵代谢产物促进宿主生长，展现出潜在的互利作用。这些发现表明CPR可能在生态系统中通过互利共生参与调控生物地球化学循环。尽管如此，目前对CPR的多样性、分布规律及其生态意义的理解仍十分有限，且相关研究多集中于中性或酸性环境。

基于此，本研究选取类蛇纹岩强碱性环境作为模型系统，综合运用地球化学、宏基因组学和分子生物学方法，系统分析了CPR群落的组成与功能特征，探索其与依赖辅助因子的宿主之间的关联及其生态角色。这一研究不仅深化了对CPR细菌在极端环境中适应性的认知，还为理解CPR细菌与宿主相互作用的复杂性提供了新的视角。

结果Results

强碱性环境中CPR细菌的显著富集

富含钙的强碱性渗滤液（pH>12）从钢铁渣堆积的斜坡向下游收集池流动，由于极高的pH值和钙浓度，碳酸钙矿物（如：方解石）迅速沉淀形成（图1A-B）。

微生物群落组成分析表明，在这一贫营养且强碱性的环境中，CPR细菌占微生物群落的比例可达1.93-34.8%（图1C）。

图1 | 采样点及CPR细菌的相对丰度

（A）采样区域概览；（B）图A中黄色框选区域的放大视图；（C）微生物群落中物种的相对丰度分布。

强碱性环境中的新型CPR基因组构建

通过宏基因组分析，本研究成功构建了12个新型CPR MAGs。系统发育分析表明，这些MAGs隶属于Paceibacteria菌纲，并进一步分属UBA6257、UBA9973和Paceibacterales菌目，可能代表新的种、属或科（图2A-B）。16S rRNA基因序列分析显示，这些CPR细菌与强碱性蛇纹石化生态系统中的CPR类群具有较近的亲缘关系，表明强碱性环境是CPR细菌的重要生态栖息地（图2C）。

图2 | 构建的CPR MAGs的系统发育分析

（A）基于CPR基因组构建的系统发育树；（B）CPR MAGs的平均核苷酸一致性；（C）CPR MAGs的16S rRNA基因系统发育树。

强碱性环境中CPR细菌的简约代谢特征

功能注释结果表明，强碱性环境中的CPR细菌代谢能力较为有限，缺乏多种完整的代谢途径（如：氨基酸、脂质和核苷酸的合成）。然而，值得注意的是，这些细菌普遍携带有与叶酸代谢相关的基因（如：folA、glyA和folD），提示其可能通过叶酸代谢与宿主形成相互作用（图3）。

图3 | CPR MAGs的代谢途径构建

叶酸介导的CPR与宿主潜在相互作用

SparCC共现网络分析揭示，在强碱性环境中，CPR细菌与某些缺乏folA基因的营养缺陷型细菌（如：Thermodesulfovibrionales bin24和CSP1-3 bin14）可能存在共生关系（图4和5A）。蛋白质结构预测显示，CPR来源的folA基因编码的蛋白均含有保守的功能域和关键的叶酸结合位点（图5B）。通过异源表达实验，进一步验证了CPR中folA基因编码的二氢叶酸还原酶具有酶活性（图5C）。基于上述结果，推测在强碱性环境中，部分CPR细菌可能通过合成并提供叶酸辅助因子，与宿主建立互利共生的关系。

图4 | 两个潜在四氢叶酸（THF）营养缺陷菌的系统发育及其与CPR MAGs的相关性分析

（A）隶属于Thermodesulfovibrionales的bin24的系统发育分析；（B）隶属于CSP1-3的bin14的系统发育分析；（C）CPR基因组与其预测宿主之间的基因组覆盖率的线性相关性。

图5 | CPR物种与其预测宿主之间的潜在相互作用

（A） CPR物种与其潜在THF营养缺陷型微生物宿主之间相互作用的概念模型；（B） AlphaFold预测的CPR基因组中folA基因编码的二氢叶酸还原酶三维结构；（C）CPR来源的folA基因在大肠杆菌MG1655中的异源表达分析。

CPR超门中广泛分布的叶酸辅助因子代谢相关基因

通过对GTDB数据库中4581个CPR基因组的分析发现，folA、glyA和folD基因分别存在于54.8%、81.3%和79.7%的基因组中，且90.8%的CPR基因组至少含有一个与叶酸代谢相关的基因。这一结果表明，叶酸合成能力在CPR超门中具有高度的普遍性（图6）。

图6 | CPR超门中与叶酸辅助因子代谢相关基因的分布情况

讨论Discussion

在本研究中，尽管尚未成功获得CPR细菌的富集培养物，但研究结果表明在贫营养且极端碱性的栖息地中，新型CPR细菌的生活方式可能并非单纯的寄生模式。具体而言，携带folA基因的CPR细菌可能与缺乏folA基因的菌株建立共生关系，通过跨物种的叶酸代谢循环形成潜在的互利共生机制。在此过程中，关键酶二氢叶酸还原酶的活性已通过实验得到验证，为CPR细菌合成生物活性必需叶酸辅助因子的能力提供了有力证据。在强碱性环境中，CPR细菌与具有碳固定能力的Thermodesulfovibrionia之间的潜在关联表明，CPR细菌可能通过提供叶酸等辅助因子支持宿主细胞生长，从而间接促进营养循环并增强微生物群落的稳定性。此外，我们整合的研究方法为表征CPR细菌其他酶的功能提供了新思路，有助于验证其在微生物群落中的关键生态角色及其对多种生境中生物地球化学过程的贡献。进一步基于培养、显微观察、多组学、遗传学、生化学和代谢特性的分析，将深化我们对CPR细菌与其宿主之间依赖叶酸或其他必需辅助因子共生关系的认识。

参考文献

He Y, Zhuo S, Li M, Pan J, Jiang Y, Hu Y, et al. Candidate Phyla Radiation (CPR) bacteria from hyperalkaline ecosystems provide novel insight into their symbiotic lifestyle and ecological implications. Microbiome, 2025, 13(1): 94, doi: https://doi.org/10.1186/s40168-025-02077-y

作者简介

何宇（第一作者）

何宇，中国地质大学（武汉）环境学院在读博士研究生，主要研究方向为工业活动影响环境中微生物群落的组成、功能及其相互作用。目前以第一作者身份在Microbiome、Environ Int、J Hazard Mater和Appl Environ Microbiol等期刊发表SCI论文5篇，以共同作者在Environ Sci Technol和Crit Rev Environ Sci Technol等期刊发表论文4篇。

董依然 （通讯作者）

董依然，中国地质大学（武汉）环境学院教授，博士生导师。长期致力于环境生物地球化学、非典型金属代谢微生物的培养与生理特性研究，以及地下水和土壤污染物的生物修复等领域的研究。其课题组获得国家自然科学基金面上项目、重点项目、重点研发计划培育项目等多项资助。已在ISME J、Microbiome、Environ Microbiol、Appl Environ Microbiol和Environ Sci Technol等环境科学与环境微生物领域的权威期刊发表论文70余篇。现担任mLife、Front Microbiol、Bio-geo Interface、安全与环境工程杂志编委和Environ Sci Technol、Geochim Cosmochim Acta、Environ Microbiol和Appl Environ Microbiol等20余个学术期刊的特邀审稿人。

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来源：微生物组