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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.
• DOI：https://doi.org/10.1038/s41467-026-77249-x
• 期刊：Nature Communications（IF = 18.1，JCR 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

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，p<0.001）。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，R=0.78，P<0.01）。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，p=0.043）。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，P<0.001）。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，P<0.001）。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（RV=0.8014，p<0.001）和宏转录组（RV=0.4330，p=0.026）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，***p<0.001。

方法学参考

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（R=0.78，P<0.01），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

1. 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
2. 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
3. 本研究生成的 MAGs 存于 NGDC 基因组仓库（GWH），登录号 GWHJRBT00000000.1 至 GWHJTBP00000000.1
4. MAG 数据集副本可通过 Figshare 获取：https://doi.org/10.6084/m9.figshare.31203940
5. 自定义分析脚本：https://github.com/Gu2uMo/custom-script
6. Nature Communications期刊主页：https://www.nature.com/ncomms/（2025 JIF = 18.1, JCR Q1）