新的根瘤菌-硅藻共生解决了长期存在的海洋之谜

氮是所有生物的重要组成部分。它也是控制陆地上作物生长的关键因素，也是控制地球上产生一半氧气的微小海洋植物的关键因素。大气中的氮气是迄今为止最大的氮库，但植物无法将其转化为可用的形式。

相反，大豆、豌豆和苜蓿（统称为豆类）等作物已经获得了将大气中的氮“固定”为铵的根瘤菌伙伴。这种合作关系使豆类成为食品生产中最重要的蛋白质来源之一

德国不来梅马克斯·普朗克海洋微生物研究所的科学家现在在《自然》杂志上报道，根瘤菌也可以与被称为硅藻的微小海洋植物形成类似的伙伴关系，这一发现解开了一个长期存在的海洋之谜，并可能具有深远的农业应用

多年来，人们一直认为海洋中的大多数固氮是由一种名为蓝细菌的光合生物进行的。然而，在海洋的广大地区，没有足够的蓝细菌来解释测得的固氮。因此，引发了一场争论，许多科学家假设非蓝藻微生物一定是“缺失”固氮的原因

该研究的主要作者Marcel Kuypers说：“多年来，我们一直在寻找编码固氮酶的基因片段，它似乎属于一种特定的非蓝藻固氮菌。”。“但是，我们无法准确地找出这个神秘的生物是谁，因此不知道它对固氮是否重要。”

2020年，科学家们从不来梅前往热带北大西洋，参加了一支由两艘德国研究船参与的探险队。他们从该地区收集了数百升海水，全球海洋氮固定的很大一部分都发生在该地区，希望能够识别和量化这种神秘的氮固定剂的重要性。在接下来的三年里，他们终于把它的基因组拼在了一起

该研究的第一作者、生物信息学专家Bernhard Tschitschko说：“这是一项漫长而艰苦的侦探工作，但最终，基因组解开了许多谜团。”

首先是生物体的身份，“虽然我们知道固氮酶基因起源于一种与弧菌相关的细菌，但出乎意料的是，生物体本身与与与豆类共生的根瘤菌密切相关，”Tschitsschko解释道。再加上其惊人的小基因组，这增加了海洋根瘤菌可能是共生体的可能性

在这些发现的刺激下，作者开发了一种可用于荧光标记根瘤菌的基因探针，这是已知的第一种此类共生体。一旦他们将其应用于从北大西洋采集的原始海水样本，他们对其是共生体的怀疑很快得到了证实

科学家将新发现的共生体命名为Candidatus Tectiglobus diatomicola。在最终确定了缺失的氮固定剂的身份后，他们将注意力集中在研究细菌和硅藻是如何协同生活的上。使用一种名为nanoSIMS的技术，他们可以证明根瘤菌与硅藻交换固定氮以换取碳。这篇论文的科学家之一Wiebke-Mohr解释道：“为了支持硅藻的生长，细菌固定的氮是其自身所需氮的100倍。”

接下来，研究小组回到海洋，发现这种新的共生体在环境中的分布范围有多广。事实很快证明，新发现的伙伴关系遍布世界海洋，尤其是在蓝藻固氮剂罕见的地区。因此，这些微小的生物可能是海洋总氮固定的主要参与者，因此在维持海洋生产力和全球海洋吸收二氧化碳方面发挥着至关重要的作用

农业工程的关键候选人

除了对海洋固氮的重要性外，共生关系的发现还暗示了未来其他令人兴奋的机会。Kuypers对这一发现从进化的角度来看意味着什么感到特别兴奋

“Ca.T.硅藻的进化适应与内共生蓝细菌UCYN-A非常相似，后者是一种早期的固氮细胞器。因此，我们很容易推测Ca.T.硅藻土及其硅藻宿主可能也处于成为单一生物的早期阶段。”

Tschitschko同意共生体的身份和细胞器样性质特别有趣。“到目前为止，这种细胞器仅被证明来源于蓝细菌，但考虑到这些细菌对农业极其重要，在根瘤菌中发现它们的意义非常令人兴奋。小体积和细胞器海洋根瘤菌的类似性质意味着它有朝一日可能成为设计固氮植物的关键候选者。”

科学家们现在将继续研究新发现的共生体，看看海洋中是否也存在更类似的共生体