《Marine Life Science & Technology》：Capturing the extensive diversity of marine anaerobic scuticociliates (Oligohymenophorea, Ciliophora) through cultivation
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为揭示广泛存在但形态未知的海洋缺氧沉积物中盾纤毛虫多样性，研究人员通过对全球范围采样及大规模培养，鉴定了厌氧盾毛科内三个新属，确认了其全球分布及普遍携带多种形态原核外共生体的特征，建立了迄今最大的海洋厌氧盾纤毛虫培养库，为理解缺氧生境生物多样性和生态系统功能提供了关键实物与信息基础。
深海、海底热液区、盐沼……在那些我们难以想象的、没有氧气的海洋沉积物里，并非一片死寂。相反，这里活跃着一个隐秘的微观世界，而原生生物，特别是纤毛虫，是其中真核生命的主要代表。长久以来，环境DNA测序研究反复提示，在海洋缺氧生境中，存在着一类被称为“盾纤毛虫”的微生物，它们在分子信号中频繁出现，暗示着其丰度与生态重要性。然而，一个尴尬的局面始终存在：我们“知道”它们在那里，却几乎不认识它们。这些厌氧盾纤毛虫长什么样？如何生活？与哪些微生物相伴？在全球分布如何？由于缺乏可培养的活体材料，这些关键问题一直悬而未解，使得我们对这一重要生物类群的多样性、形态、行为及其在生态系统中的功能认知存在巨大空白。传统培养方法的缺失，阻碍了我们将环境序列数据与真实的生物学特征（如形态、生理、共生关系）联系起来，限制了对海洋缺氧生态系统功能的理解。
为了揭开这些神秘微生物的面纱，一支国际研究团队进行了一项雄心勃勃的探索。他们从全球多个海洋缺氧生境（包括海滩沉积物、沿海盐沼、深海沉积物等）广泛采样，并通过精巧的厌氧培养技术，成功建立了44个盾纤毛虫菌株的稳定培养物，建成了迄今为止最大的海洋厌氧盾纤毛虫培养集合。基于这些宝贵的活体材料，研究者们综合运用了活体观察、银浸染色、扫描与透射电子显微镜以及基于18S rRNA基因的分子系统学分析，首次系统描绘了这群“只闻其名，未见其形”的海洋厌氧盾纤毛虫的真实面貌。他们的研究成果发表在《Marine Life Science & Technology》上，不仅为多个仅存在于环境序列数据库中的类群找到了形态学“本体”，还刷新了我们对海洋微观生命多样性的认知。
为开展此项研究，作者主要应用了以下几项关键技术：1. 全球地理采样与厌氧培养：从地中海、大西洋、印度洋和太平洋等多种海洋缺氧生境采集沉积物样品，并成功建立并维持了44个厌氧盾纤毛虫菌株的非克隆培养物。2. 综合形态学表征：结合微分干涉差显微镜活体观察、protargol和湿银法银浸染色、扫描电镜和透射电镜，详细描述了目标生物的细胞形态、纤毛图式、超微结构及共生体特征。3. 分子系统发育分析：通过单细胞分离或群体提取DNA，扩增并测定了44个菌株的18S rRNA基因序列，结合公共数据库中的环境序列，构建最大似然法和贝叶斯系统发育树，明确了各类群的分类地位和亲缘关系。
研究结果
厌氧海洋盾纤毛虫的培养
研究人员成功从多种海洋缺氧生境（海滩沉积物、沿海盐沼和深海沉积物）培养了盾纤毛虫，重点聚焦于地中海和美国大西洋沿岸。建立的44个稳定培养菌株代表了大多数已知的海洋厌氧盾纤毛虫环境谱系（即环境盾纤毛虫谱系I、II和IV）。目标盾纤毛虫在新采集的样品中持续丰富，表明其在自然环境中的丰度。
形态学描述与分类学总结
研究基于详尽的形态和分子数据，对纤毛虫门、寡膜纲、盾纤毛亚纲下的厌氧盾毛科进行了修订，并建立了三个新属：
- 1.
新环毛虫属 (Neocyclidium n. gen.)：模式种为深海新环毛虫 (Neocyclidium profundum n. sp.)。该类群体型小，体长约28微米，卵圆形，前部较窄。具有8条不间断的双极体动基列，动基列后2/3为单动基体，前1/3为密布的双动基体。携带原核外共生体。
- 2.
后环毛虫属 (Metacyclidium n. gen.)：模式种为斗篷后环毛虫 (Metacyclidium pallium n. sp.)。体长约24微米，卵圆形，前后均较圆润。具7或8条不间断双极体动基列，前后部为双动基体，中间有短的单动基体片段。具有两种形态不同的外共生体（大的梭形和小的柱形）及少量的纺锤形射出体。
- 3.
海环毛虫属 (Maricyclidium n. gen.)：模式种为普通海环毛虫 (Maricyclidium commune n. sp.)。体长约20微米，卵圆形至椭圆形。具有8条被中断的体动基列，每条动基列分为较长的前段和很短的后段。口侧膜(PM)呈L形，其纤毛可延伸至或超过细胞后端。尾纤毛长于体长。所有个体均携带梭形外共生体。此外，还识别了与该物种形态极为相似但遗传有异的4个谱系，共同构成“M. commune 物种复合体”。
18S rRNA基因系统发育
基于18S rRNA基因序列的系统发育分析表明，所有新测序的菌株与环境序列共同构成了一个高支持度的单系群，与盾纤毛亚纲内的 Pleuronematida 和 Philasterida 目明显不同。因此，研究扩展了厌氧盾毛科的概念，将其定义为一个包含海洋和淡水厌氧盾纤毛虫的独立谱系，目前涵盖四个属（包括先前描述的 Anaerocyclidium 属）和多个物种。新建立的三个属分别对应之前仅知的环境谱系I (Neocyclidium)、II (Metacyclidium) 和IV (Maricyclidium)。环境谱系III是唯一尚未获得形态数据的属级谱系。
共生体与细胞超微结构
透射电镜研究显示，所研究的海洋厌氧盾毛科成员均未发现细胞内共生体，这与主要携带内共生体的淡水同类不同。相反，所有被研究的海洋菌株都普遍携带杆状至梭形的原核外共生体，它们纵向附着在宿主细胞表面。其中，M. pallium 甚至同时拥有两种形态迥异的外共生体。宿主细胞的线粒体具有管状嵴，并分布在靠近皮层共生体的位置，这种空间邻近性可能有利于代谢相互作用。研究还证实了 M. pallium 的细菌取食性，在其食物泡中发现了被摄食的细菌。此外，M. pallium 是迄今发现的厌氧盾毛科中唯一具有射出体的成员。
研究结论与讨论
本研究通过培养方法，成功捕捉了海洋厌氧盾纤毛虫的环境多样性，证实了它们在海洋缺氧沉积物中广泛存在且全球分布。研究发现，厌氧盾毛科代表了一个独立的进化谱系，其厌氧生活方式很可能是在寡膜纲内独立演化而来的。
通过培养捕捉环境多样性
研究证明，培养方法对于揭示原生生物类群及其共生关系的多样性至关重要。它不仅将环境序列与真实的形态、行为联系起来，还使得后续的生理、生态和共生机制研究成为可能。特别是深海新环毛虫 (N. profundum) 的成功培养，是对深海纤毛虫培养的一次罕见而成功的尝试，表明该类群对深海极端环境的适应。
新属与已知物种的比较
新建立的三个属在形态上具有明确区分。Neocyclidium 和 Metacyclidium 都具有不间断的体动基列，但后者在细胞形状、射出体存在与否、皮层沟纹、伸缩泡位置以及外共生体类型上均与前者不同。Maricyclidium 最显著的特征是其体动基列在赤道区中断。尽管 Maricyclidium 物种复合体内不同谱系间遗传距离表明可能存在多个物种，但由于缺乏明确的形态鉴别特征，目前仅将部分菌株定为新种 M. commune，其他则暂以“谱系1-4”标识。
共生关系的普遍性与意义
一个关键发现是，所有被研究的海洋厌氧盾毛科成员都携带原核外共生体，且均为外共生形式。这与淡水类群多携带内共生体（如产甲烷古菌）形成鲜明对比。宿主线粒体位于皮层、靠近外共生体的位置，强烈暗示着两者间可能存在代谢偶联，例如宿主的氢化线粒体或氢化体产生的氢气被外共生体（如硫酸盐还原菌、反硝化细菌）利用的互养共生关系。这种广泛的外共生现象，可能对它们在缺氧、富含硫化物的生境中生存至关重要。
综上所述，这项研究填补了海洋厌氧真核微生物多样性认知的重要空白。通过建立全球性的培养资源库和提供首批详尽的形态-分子对应数据，它不仅描述了多个新的分类单元，更为进一步探索海洋缺氧生态系统中微生物的共生网络、进化适应及生态系统功能奠定了坚实基础。研究凸显了传统培养学在现代微生物生态学研究中的不可替代价值，即它是连接“序列”与“生命”、解码环境基因组功能的关键桥梁。
