原文来源：Amano C, Willhelm U, Koch T,et al., 2026. Major contribution of anaplerosis to inorganic carbon fixation in the dark ocean. Nature Geoscience.
https://www.nature.com/articles/s41561-026-02013-1#citeas.
研究背景与科学问题
碳固定是地球生物圈的关键过程。虽然光合自养和化能自养生物的CO2固定已被广泛研究，海洋光合自养生物在真光层固定约50 PgC yr-1的CO2，占地球净初级生产力近一半。在无光的深海（暗大洋），化能自养微生物（如氨氧化古菌和细菌）通过卡尔文循环、逆TCA循环等途径固定无机碳，估算通量约1–3 PgC yr-1。这部分“暗固碳”一直被视为化能自养的专属贡献。
回补（anaplerotic）固碳是生物体普遍存在的基础代谢过程，通过PEP羧化酶、丙酮酸羧化酶等将DIC引入草酰乙酸，补充TCA循环中间产物。早在1960年代，纯培养实验就表明异养菌生长中约7%–8%的碳生物量来自DIC固定，但这一过程在海洋生态系统中被长期当作微生物胞内的代谢过程，其生态重要性未被正视。回补固碳在真实海洋环境中是否活跃？哪些类群是主要执行者？其对全球暗固碳总量的贡献有多大？是否应纳入海洋碳循环模型？以上都是亟待回答的关键科学问题。
科学内涵
本研究通过分析全球海洋多组学数据集，发现了回补途径相关酶（尤其是磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶，PEP羧化酶）的广泛表达。而异养细菌属的Alteromonas，是一种全球分布、缺乏自养固碳途径基因的海洋类群，表现出极高的PEP羧化酶转录和蛋白活性。实验室培养证实，Alteromonas能将溶解无机碳（DIC）同化为自身的生物量，其速率受温度和有机物可利用性调控。基于单细胞示踪分析，在深海微生物群落中，Alteromonas对总暗固碳（dark DIC fixation）的贡献中位数约为17%（置信区间10%–28%），对应全球潜在通量约0.2 PgC yr-1。这些结果揭示了回补途径驱动的大量DIC固定，表明深海暗固碳部分由异养代谢支撑，并受环境条件调节，其响应方式可能与经典自养过程不同（图1）。
图1 北大西洋和太平洋中总体暗固碳及Alteromonas潜在回补固碳。a，三次航次期间的采样站位。带有站位编号（St）的大图标表示额外进行了MICRO-CARD-FISH分析的站位，不同颜色代表不同洋盆。b–d，太平洋（SO248）（b）、伊比利亚半岛外缘（Rad）（c）和北大西洋（Geo）（d）的总体暗固碳断面分布图。速率以对数标度显示。水深数据来自GEBCO 2023全球网格47。e、f，DIC阳性原核生物（e）和DIC阳性Alteromonas（Alt，f）的相对丰度，分别以占总原核生物和总Alteromonas的百分比表示。DIC阳性细胞指通过MICRO-CARD-FISH检测到的摄取了14C-碳酸氢盐示踪剂的细胞。每个样本检测超过1,000个DAPI染色的细胞。g，Alteromonas对总原核生物暗固碳的贡献。由于同化DIC的细胞丰度较低，将同一水团内的数值合并，仅保留含有≥5个DIC阳性原核生物的水团。数值代表每个水团中DIC阳性Alteromonas占所有DIC阳性原核生物的比例。数据点绘制在每个水团平均采样深度处（扩展数据表1）。a中的海岸线数据来自全球自洽分层高分辨率地理（GSHHG）数据库。
该研究的核心发现包括四个方面：
1）多组学先导筛选：利用Tara Oceans全球宏转录组（187个样本）和宏蛋白质组（61个样本），比较各类固碳酶基因的表达量，而非仅仅检测基因丰度，从而锁定“真正在工作”的酶和类群。2）靶向培养验证：选择组学中脱颖而出的代表性菌株——Alteromonas mediterranea深海生态型（AltDE），在实验室控制有机碳类型（葡萄糖/丙氨酸）、浓度和温度，直接测定14C-DIC掺入生物量的速率与比例，证明因果关系。3）代谢网络建模：构建AltDE基因组尺度代谢模型，结合环境转录组约束，模拟碳流走向，解释回补固碳在代谢网络中的功能定位（TCA回补与乙醛酸支路协同）。4）单细胞水平原位定量：应用MICRO-CARD-FISH技术，在北大西洋和太平洋实地样本中，同时鉴定Alteromonas细胞和14C-DIC阳性细胞，用“细胞计数比例”替代“信号强度”来估算贡献，规避了传统方法无法区分自养/异养的缺陷。
通过多重技术手段验证了回补固碳并非微不足道的“副反应”，而是在贫营养深海中广泛存在、由特定高活性异养类群驱动的显著碳汇过程，其全球贡献可与化能自养固碳相提并论。该研究揭示“回补固碳”的异养代谢本身也是无机碳转化为有机碳的重要驱动力。定量证实了异养回补固碳在全球尺度上的显著贡献，将这一传统上视为微生物细胞内部的生化反应过程提升为海洋生物地球化学循环的重要组分，是海洋碳循环研究的重要里程碑。
重要启示
启示一：多组学联合的研究新范式。首次将全球宏转录组/宏蛋白质组、靶向培养实验和单细胞同位素示踪三者结合，实现了从基因表达到生理功能再到生态通量的全链条定量，为研究被忽视的代谢途径提供了范式。
启示二：纯培养对于地质微生物研究的重要性。通过野外面上调查，结合室内地质微生物纯培养研究技术，可以从机制层面解释观察到的现象，精细区分自养型和异养型（回补）途径，准确解释同位素示踪数据（如14C），定量评估环境因子对微生物介导的暗固碳过程的影响，纯培养实验是厘清代谢机制不可或缺的研究手段。
——解读人：吴耿
——责任编辑：吴耿
