在全球气候变化的过程中，科学家们正在观察海洋中低氧区域的增加，也被称为最小氧带(OMZs)。例如在南美洲海岸外的太平洋和印度洋存在大规模的OMZs。由于这些地区几乎没有氧气存在——这取决于水生物的深度，它们的新陈代谢与氧气无关，有一个明显的优势。这些生物包括有孔虫的一些代表：单细胞，有壳微生物，它们有细胞核，因此属于真核生物。生活方式涉及一种特殊的代谢途径，称为厌氧呼吸。在没有氧气的情况下，它们把水中的硝酸盐转化成分子氮。这一过程被称为反硝化，它在全球氮循环中起着核心作用——氮是海洋中所有生物生命过程的基本元素。
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在含氧量特别低的海洋地区，有孔虫非常丰富。在那里，它们大规模代谢硝酸盐，从而将其从全球营养循环中移除。通过这种方式，有孔虫对OMZs中营养物质的去除做出了显著的贡献。来自基尔大学普通微生物研究所(CAU)合作研究中心754号(SFB 754)研究小组“热带海洋中的气候-生物地球化学相互作用”，GEOMAR Helmholtz海洋研究中心Kiel和Kiel进化中心(KEC)现在已经成功地描述了在有孔虫类中先前未知的反硝化过程。研究人员证实了圆叶虫和相关物种圆叶虫具有独特的反硝化的真核代谢途径。2018年8月研究小组首次在著名的科学期刊《当代生物学》上发表了一篇关于这些有孔虫物种所需遗传特性描述。
研究小组在瑞典南部的海湾峡湾收集了沉积物样本，由于其特殊的形状和相关的水体分层，峡湾经历了与大型海洋OMZs类似的季节性缺氧。在峡湾，有孔虫生活在海床的顶部几厘米处。中国农业大学基因组微生物工作组的Alexandra-Sophie Roy博士强调说：研究人员能够在实验室中观察微生物，使用一种特别开发的基础设施：为了详细调查有孔虫，并且因为它们专门针对特定的环境条件，不得不在大约120米的深度人工模拟自然氧气条件。研究人员检查了有孔虫的全部遗传信息，以寻找它们是否能够独立反硝化的线索，或者共生细菌是否负有责任。众所周知，细菌和真菌可以进行反硝化作用，因此具有合适的遗传特性。
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因此研究人员正在寻找有孔虫的基因组，寻找细菌和真菌中已知的特定基因，发现了三个蛋白质编码基因，它们肯定不是来自共生细菌。虽然我们还没有发现所有与硝酸盐转化有关的基因，但新发现的遗传信息是有孔虫自身基因组的一部分，这些海洋微生物与其他所有真核生物的新陈代谢有着明显的区别。这一结果也被有孔虫在缺氧海洋环境中的生态成功所证实。例如对秘鲁沿海OMZ地区的调查表明，那里的微生物在硝酸盐循环中起着关键作用，每立方厘米沉积物中有超过500个个体存在。据推测，有孔虫通过进化获得完成完全反硝化的能力来获得这种优势。在这里所研究的球状植物物种中，共生细菌参与硝酸盐的减少是可以排除，因为共生细菌的丰度太低而无法解释这一现象。
因此真核微生物必须能够独立进行反硝化作用。在进一步的研究中，科学家们的目标是识别球状阈中缺失的反硝化基因。还想弄清的是，关于特定海域某些物种发现是否也适用于OMZs的其他有孔虫。更好地理解反硝化作用的遗传基础是如何在不同生物体中进化，这为我们提供了一个重要的谜题，也为海洋生物地球化学循环的更大图景更进一步。根据相关基因的进化，可以更好地确定这一营养循环的地质起源，以及个体生物体所起作用的程度。在全球环境变化的背景下，更加准确地了解海洋中基本物质的转化和分布正变得越来越重要，例如在未来，研究人员可以更好地估计环境条件的变化将如何影响营养供应，从而不同海洋生物之间的营养关系。
博科园-科学科普｜参考期刊文献 :《Current Biology》｜研究/来自：Christian-Albrechts-Universitaet zu Kiel，DOI: 10.1016/j.cub.2018.06.027
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