东京大学大气海洋研究所盐崎拓平副教授和海洋研究开发机构（JAMSTEC）西村阳介特任研究员等人组成的研究团队报告称，成功从北冰洋获得的宏基因组数据中解码出了固氮生物基因组，并从获得的7种固氮生物基因组中，发现了北冰洋存在北极固有种、低纬度固有种，以及生存在全球的3种普遍种海洋固氮生物。这一成果有望揭开海洋承担的固氮作用的全貌。相关成果已经刊登在国际学术杂志《The ISME Journal》5月23日号上。
图1：海洋固氮生物的北极固有种、普遍种和低纬度固有种的全球分布（供图：东京大学）
海洋表层几乎不存在的氮化合物通过海洋微生物的固氮作用提供给海洋生态系统。一直以来，这种固氮作用被认为只发生在以热带、亚热带海域为中心的低纬度贫营养海域。
此次研究团队通过研究发现北冰洋和南冰洋也存在固氮作用。由于承担固氮职责的固氮生物与低纬度区域相比环境存在巨大差异，因此推测其生理和生态也会有所不同，但详细情况尚不明确。
西村特任研究员等人在2022年6月开发了一种从宏基因组数据中解码单个微生物基因组的方法，通过该方法解码了超过5万个原核生物基因组，并作为世界最大的海洋微生物基因目录“海洋微生物基因目录（OceanDNA MAG Catalog）”对外公开。
此次研究团队通过从该目录的北冰洋数据中提取携带固氮相关基因的基因组，从中获得了7种固氮生物的基因组。
研究团队利用全球宏基因组数据库，调查了这7种基因组在各个海域以怎样的比例存在的情况，结果除了仅存在于北冰洋的种类（北极固有种）之外，还确认了普遍种的存在。包括目前已知的低纬度固有种在内，海洋固氮生物根据其分布模式可分为3个物种。
北极固有种虽然在整体功能上与其他固氮生物没有显著差异，但拥有其他同纲或同种的固氮生物所不具备的基因组。例如，γ-变形菌纲具有多种芳香族化合物降解基因和大量糖基转移酶基因。另外，UCYN-A（固氮共生蓝藻）拥有其他同种生物所不具备的DNA修复基因。此外，据推测还有一些种类具备体型非常小的特征。
另外，研究团队还发现北冰洋中存在的普遍物种大多是非光合作用生物，且具有冷休克蛋白基因（cspA）。据推测其原因是即使在低纬度地区，深海的温度也非常低（约2℃），可见这些普遍种适应了北冰洋的环境。
此外，本次研究还表明，大多数进行光合作用的蓝藻固氮生物不具备冷休克蛋白基因。
盐崎副教授表示：“基因组分析表明，一部分北极固有种产生了容易附着在某种东西上的物质，而附着物体的其中一个候补就是海冰，目前我们正在调查有可能栖息在海冰内的固氮生物。如今，北极的海冰正在以惊人的速度消失。确认固氮生物栖息地对于预测未来非常重要。”
原文：《科学新闻》
翻译：JST客观日本编辑部
【论文信息】
杂志：The ISME Journal
文章：Distribution and survival strategies of endemic and cosmopolitan diazotrophs in the Arctic Ocean
DOI：10.1038/s41396-023-01424-x
