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新闻公告 光之密码：海洋微生物的生存地图与培养革命
近日，我所与中国地质大学等单位联合，在《Communications Earth & Environment》上发表题为《Light exposure patterns shape marine microbial biogeography and metabolic strategy》的研究论文。这项研究通过分析来自7个大洋海域、共1,516个采样点的16,931株微生物菌株，首次揭示长期的光照模式是驱动海洋微生物分布和代谢进化的核心引擎，并建立了首个基于代谢策略的海洋微生物培养预测数据库，为解锁“微生物暗物质”提供了革命性工具。
一、打破认知：长期的光照模式决定微生物"原户籍地"
研究团队通过整合宏基因组数据与培养实验发现，海洋微生物的分布并非随机，而是严格遵循以光照为核心的环境梯度。在阳光充足的近赤道区域，微生物多样性显著高于黑暗深海。更有71.67%的物种仅在特定气候带被分离（如变形菌门的分离菌株独产于北温带透光区），并且揭示了这种分离的地域特征和微生物在特定环境下的代谢进化方向有关，提示模式微生物可能不能表征某些特殊环境中的物种功能（图1）。
图 1 海洋微生物的全球分布：七大区域对海洋微生物多样性分化的影响
a. 基因组和可培养菌株采样点分布
b. 塑造海洋微生物多样性分化的功能差异
c. 全球海洋微生物在真光层（EPI）的多样性分布（门水平），赤道附近南太平洋多样性最高
d. 黑暗海洋中微生物的多样性分布（门水平），北太平洋中纬度区域和大西洋中高纬度区域多样性最高
e. 真光层可培养菌株的多样性分布（门水平），北太平洋中纬度区域已分离培养的门数最多
f. 黑暗海洋中可培养菌株的多样性分布（门水平），赤道附近和南半球中高纬度区域可培养微生物多样性最高
二、光照下的生存法则：八大代谢策略
研究发现，长期的光照模式不仅影响微生物在哪里生活，更决定了它们如何生存。团队首次系统描绘出海洋微生物的八种核心代谢策略（图2）。这些策略如同八份截然不同的“生存蓝图”，与光环境紧密绑定：在阳光稀少且极昼极夜交替的北极，微生物采取了“能量利用效率优先”的代谢策略（MS1-4）来高效固碳；而在常年光照充沛且稳定的热带，微生物则更依赖高效的转运系统来竞争营养，从而实现“快速生长”。光，通过调控核糖体合成、能量代谢等核心功能，深刻地塑造了微生物的代谢进化路径。
图 2 海洋微生物代谢策略（MS）的功能分化
a. 不同代谢策略的功能偏好
b. 不同代谢策略类型海洋微生物的光照环境偏好
c. 不同代谢策略的功能差异及培养潜力
d. 基于自编码器神经网络预测的、塑造海洋微生物代谢策略的关键功能
e. 不同代谢策略的核心功能差异
三、海洋微生物培养新范式：告别盲目试错，迈向精准培养
长期以来，99%以上的海洋微生物难以在实验室培养，被称为“微生物暗物质”。本研究最大的突破之一，便是构建了首个基于代谢策略的培养条件预测数据库，这种基于代谢相似性而非亲缘关系预测培养条件的方法使得跨物种的培养条件预测成为可能。只需输入物种或提供代谢功能信息，系统便能推荐最优培养基配方，将培养成功率从“碰运气”提升至可预测的99.57%。这一工具为全球科学家打开了一扇门，让定向培养57个未培养微生物门类、解锁其应用潜力成为可能。
四、从深海到实验室：三大应用前景
这项研究的价值，远不止于揭示海洋微生物全球分布规律。它如同一座坚实的桥梁，将海洋的自然奥秘与实验室的产业应用连接起来（图3）。首先，它使我们能依据光照历史，预测微生物群落在气候变化下的演变。其次，它为定向挖掘新型抗生素、酶制剂等生物资源提供了“寻宝图”。最后，它帮助我们更精确地理解微生物在全球碳循环等关键地球过程中扮演的角色，为应对环境挑战提供新思路。
图 3 基于海洋微生物代谢策略潜在培养方案的分析流程
a. 获取全球海洋来源的微生物基因组和可培养菌株
b. 通过基因组测序和功能注释分析代谢策略
c. 将培养方案与已鉴定的代谢策略进行匹配
d. 建立可检索的海洋微生物推荐培养方案数据库
上述研究获得国家自然科学基金重点项目及水圈微生物计划（42030412, 91851203）为主的资助；中国海洋微生物菌种保藏中心提供了海洋微生物菌种培养条件及地理分布信息。向师正（中国地大与海洋三所联合培养研究生）为论文第一作者，由中国地质大学/河南大学蒋宏忱教授与我所邵宗泽研究员共同指导，蒋宏忱教授与邵宗泽研究员为论文通讯作者。海洋三所为第一作者单位，李光玉、龚林锋、李建洋、于丽波、陈震等多名三所人员参与了该研究。
论文信息如下：Shizheng Xiang, Guangyu Li, Yifei Huang, Linfeng Gong, Jianyang Li, Guizhen Li, Liping Wang, Wei Ye, Libo Yu, Zhen Chen, Hongchen Jiang*, Zongze Shao* (2026). Light exposure patterns shape marine microbial biogeography and metabolic strategy.
全文链接：https://doi.org/10.1038/s43247-026-03289-2
访问数据库：https://www.mccc.org.cn/about/CultureConditions
