氮是所有生物体的重要组成部分。它也是控制陆地作物以及产生地球上一半氧气的微观海洋植物生长的关键元素。大气中的氮气是最大的氮库，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)等农作物获得了根瘤菌伙伴，可以将大气中的氮“固定”成铵。这种伙伴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报告说，根瘤菌也可以与称为硅藻的微小海洋植物形成类似的伙伴关系。这一发现解决了一个长期存在的海洋谜团，并具有潜在深远的农业应用前景。

隐藏在硅藻中的神秘海洋固氮剂

多年来，人们一直认为海洋中的大部分固氮是由称为蓝细菌的光合生物进行的。然而，在海洋的广大区域，没有足够的蓝细菌来解释测量到的固氮作用。因此，引发了一场争议，许多科学家假设非蓝藻微生物一定是造成“缺失”固氮作用的原因。

“多年来，我们一直在寻找编码固氮固氮酶的基因片段，该酶似乎属于一种特定的非蓝藻固氮剂”，该研究的主要作者MarcelKuypers说。“但是，我们无法准确地弄清楚这个神秘的生物体是谁，因此不知道它对于固氮是否重要”。

2020年，科学家们从不来梅前往热带北大西洋，参加由两艘德国科考船参与的探险活动。他们从该地区收集了数百升海水，全球海洋固氮作用大部分发生在该地区，希望能够识别和量化这种神秘固氮剂的重要性。他们花了三年时间才最终拼凑出它的基因组。

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

首先是生物体的身份，“虽然我们知道固氮酶基因起源于弧菌相关细菌，但出乎意料的是，该生物体本身与与豆科植物共生的根瘤菌密切相关”，Tschitschko解释道。加上其基因组小得出奇，这提出了海洋根瘤菌可能是共生体的可能性。

受这些发现的启发，作者开发了一种可用于荧光标记根瘤菌的基因探针。当他们将其应用于从北大西洋收集的原始海水样本时，他们对它是共生体的怀疑很快得到证实。“我们发现了一组四个根瘤菌，它们总是位于硅藻内的同一个位置”，Kuypers说，“这非常令人兴奋，因为这是硅藻和非蓝藻固氮剂之间第一个已知的共生关系”。

科学家们将新发现的共生体命名为CandidatusTectiglobusdiatomicola。最终确定了缺失的固氮剂的身份后，他们将注意力集中在研究细菌和硅藻如何共存上。

利用一种名为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。它投入了大量的精力：“为了支持硅藻的生长，细菌固定的氮比其自身需要的多100倍”，该论文的科学家之一WiebkeMohr解释道。

接下来，研究小组回到海洋，以发现这种新的共生关系在环境中的分布范围有多大。很快事实证明，这种新发现的伙伴关系遍布世界各地的海洋，特别是在蓝藻固氮剂稀有的地区。因此，这些微小生物体可能是海洋总固氮的主要参与者，因此在维持海洋生产力和全球海洋二氧化碳吸收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之外，共生现象的发现还暗示着未来还有其他令人兴奋的机会。库珀斯对这一发现从进化角度意味着什么感到特别兴奋。

“Ca的进化适应。T.diatomicola与内共生蓝细菌UCYN-A非常相似，后者的功能是早期固氮细胞器。因此，推测Ca确实很诱人。T.diatomicola及其硅藻宿主也可能正处于成为单一生物体的早期阶段。”

Tschitschko同意共生体的身份和细胞器性质特别有趣，“到目前为止，此类细胞器仅被证明源自蓝藻，但在根瘤菌中发现它们的意义非常令人兴奋，因为考虑到这些细菌是对农业极其重要。海洋根瘤菌的体积小且类似细胞器，这意味着它有一天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现象，看看海洋中是否也存在更多类似的共生现象。

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