東京大學大氣海洋研究所鹽崎拓平副教授和海洋研究開發機構（JAMSTEC）西村陽介特任研究員等人組成的研究團隊報告稱，成功從北冰洋獲得的宏基因體資料中解碼出了固氮菌基因體，並從獲得的7種固氮菌基因體中，發現了北冰洋存在北極固有種、低緯度固有種，以及生存在全球的3種普遍種海洋固氮菌。這一成果有望揭開海洋承擔的固氮作用的全貌。相關成果已經刊登在國際學術雜誌《The ISME Journal》5月23日號上。
圖1：海洋固氮菌的北極固有種、普遍種和低緯度固有種的全球分布（供圖：東京大學）
海洋表層幾乎不存在的氮化合物透過海洋微生物的固氮作用提供給海洋生態系統。一直以來，這種固氮作用被認爲只發生在以熱帶、副熱帶海域爲中心的低緯度貧養化海域。
此次研究團隊透過研究發現北冰洋和南冰洋也存在固氮作用。由於承擔固氮職責的固氮菌與低緯度區域相比環境存在巨大差異，因此推測其生理和生態也會有所不同，但詳細情況尚不明確。
西村特任研究員等人在2022年6月開發了一種從宏基因體資料中解碼單個微生物基因體的方法，透過該方法解碼了超過5萬個原核生物基因體，並作爲世界最大的海洋微生物基因目錄「海洋微生物基因目錄（OceanDNA MAG Catalog）」對外公開。
此次研究團隊透過從該目錄的北冰洋資料中提取攜帶固氮相關基因的基因體，從中獲得了7種固氮菌的基因體。
研究團隊利用全球宏基因體資料庫，調查了這7種基因體在各個海域以怎樣的比例存在的情況，結果除了僅存在於北冰洋的種類（北極固有種）之外，還應答了普遍種的存在。包括目前已知的低緯度固有種在内，海洋固氮菌根據其分佈模式可分爲3個物種。
北極固有種雖然在整體功能上與其他固氮菌沒有顯著差異，但擁有其他同綱或同種的固氮菌所不具備的基因體。例如，γ-變形菌綱具有多種芳香族化合物降解基因和大量糖基轉移酶基因。另外，UCYN-A（固氮共生藍藻）擁有其他同種生物所不具備的DNA開墾基因。此外，據推測還有一些種類具備體型非常小的特徵。
另外，研究團隊還發現北冰洋中存在的普遍物種大多是非光合作用生物，且具有冷休克蛋白基因（cspA）。據推測其終極因數是即使在低緯度地區，深海的溫度也非常低（約2℃），可見這些普遍種適應了北冰洋的環境。
此外，本次研究還表明，大多數進行光合作用的藍藻固氮菌不具備冷休克蛋白基因。
鹽崎副教授表示：「基因體分析表明，一部分北極固有種產生了容易附着在某種東西上的物質，而附着物體的其中一個候補就是浮冰，目前我們正在調查有可能棲息在浮冰内的固氮菌。如今，北極的浮冰正在以驚人的速度消失。應答固氮菌棲地對於預測未來非常重要。」
原文：《科學新聞》
翻譯：JST客觀日本編輯部
【論文資訊】
雜誌：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
