淡水生态系统是地球上重要的生物多样性宝库,其中蕴藏着丰富而复杂的微生物群落。这些微生物广泛参与着碳循环、氮循环及其他关键的生态过程,对维持淡水环境的稳定发挥核心作用。然而,长期以来,大多数淡水微生物仍处于"未培养"状态,限制了对其生态功能、进化机制及环境适应性的深入理解。过去的研究表明,传统培养方法往往偏向筛选富营养型的快生长细菌,而忽视了广泛存在的低营养条件下生存的慢生长型微生物,这导致出现了所谓的"培养板计数异常"现象,即大多数环境微生物在实验室条件下无法培养。本篇内容将重点探讨利用高通量稀释至灭绝培养法配合人工定义培养基,成功培养出淡水生态系统中大量未被培养的微生物种群,进而分析这些发现背后的生态与功能意义。稀释至灭绝培养法是一种将环境样本高度稀释,单细胞或极少数细胞置于接近自然环境的培养基中。
该方法规避了富营养培养基对快生细菌的选择性压力,使适应低营养环境的微生物更易存活和增长。针对淡水系统中复杂多样的微生物生态,研究团队设计了三种低浓度碳源和营养物质的人工培养基,成分模拟了湖泊自然水体中的溶解有机碳含量。其中,两种培养基含有不同类型的单糖、有机酸、维生素及催化酶,而第三种培养基则以甲醇和甲胺为唯一碳源,专门针对甲基营养型微生物。14个中欧地区湖泊的水样分别在春夏秋三季及不同水层采集,经过严格过滤与细胞计数后,进行了共计6144个微孔的稀释培养实验。这一严格设计保证了培养的微生物多样性及环境代表性。经过6至8周的培养筛选,成功获得了627株纯培养菌株,这些菌株涵盖了72个不同属,其中包括淡水系统中最丰富且之前极少有培养代表的15个主要属。
通过16S rRNA基因测序和全基因组测序,研究人员确认这些菌株与原生态中的高丰度微生物高度相关,甚至揭示了多个全新科、属和种的分类单元,显著扩展了已知淡水微生物的系统进化树。此外,基于基因组组装和注释,这些培养株表现出多样化的代谢功能,体现了适应稀营养环境的特征,如基因组简化、营养物质依赖以及多样的能量获取途径。值得注意的是,近一半的培养株包含能够利用光能的机制,包括质子泵型视紫红质和兼性光合无氧呼吸系统,显示光驱动能量转换在淡水自由浮游细菌中的普遍性,一些菌株甚至具备潜在的光合碳固定能力。此外,培养株间对氮、硫等元素的代谢途径差异巨大,部分菌株专门化地能够降解复杂有机物或利用一碳化合物,这揭示了淡水微生物群落内复杂的生态分工与能量流动。增长速率和耐养性的实验结果进一步确认,大部分新培养菌株属于低营养的慢生长特征,虽生长缓慢却在自然环境中占据主导地位。相对而言,典型的富营养快生长细菌在这类基础培养基中表现较为弱势。
这种生长特性的分布与其基因组特征相呼应,反映了生态位适应的进化轨迹。在对14个采样湖泊以及全球超过460个公开淡水样本的宏基因组数据进行比对分析后,证明了这些培养菌株代表的属群不仅在中欧淡水系统普遍存在,也广泛分布于世界各地的淡水生态系统当中,涵盖从低营养至富营养型湖泊的多样环境。其占比在表层水体更高,暗示其对湖泊生态过程的深远影响。通过对比完整培养株基因组与环境组装基因组(MAGs),这些培养株普遍比已知培养物更接近环保基因组,具有独特且未被充分描述的基因组群差异,极大丰富了当前微生物资源库。该研究不仅弥补了微生物采样采集与培养间的鸿沟,还为后续的生态功能实验和基因组学研究奠定了基础。建立这样的高质量培养株资源,有助于深入解析微生物的生理特性、代谢途径以及环境响应机制,为构建新型模型微生物种群提供可能。
模型种的建立是微生物生态研究的关键,能帮助理解微生物与环境交互关系及其在全球生态系统中的贡献。传统模型微生物多以营养丰富条件下生长的copiotrophs为主,然而环境中主导的往往是适应稀营养环境的oligotrophs。以往缺乏对这些环境关键菌株的培养,严重限制了微生物生态学与应用科研的深度。最新的培养技术将有望破解这一瓶颈,推动环境微生物学进入新的发展时期。未来的研究可以利用这些纯培养株进行高通量表型分析、多组学整合研究以及基因编辑尝试,进一步揭示其生态策略及相互作用。同时,可以通过共培养、多样环境模拟等方法探索微生物间的协同与竞争机制。
通过系统的生态学实验,也能够更好地理解这些微生物群落对环境变化的敏感性和适应性,助力环境管理与保护。总之,培养淡水生态系统中广泛存在但历史上未被培养的微生物群是一项划时代的突破。这不仅丰富了微生物生态学的研究工具箱,也加深了对自然界复杂微生物功能的理解。未来,将有更多基于该类培养株的跨学科研究涌现,从微生物基因组学到环境生理学,进一步阐释微生物在全球生态系统中不可替代的角色。随着技术与理念的不断升华,淡水微生物学的明天必将更加光明且充满活力。 。
