文献信息：
作者：Heleen T. Ouboter, Rob Mesman, Tom Sleutels, Jelle Postma, Martijn Wissink, Mike S. M. Jetten, Annemiek Ter Heijne, Tom Berben, Cornelia U. Welte
发表时间：17 February 2024
https://doi.org/10.1038/s41467-024-45758-2
Nature Communications 影响因子：16.6
背景介绍
厌氧甲烷氧化（ANME）古菌是一类尚未培养的环境关键微生物，可氧化强效温室气体甲烷，是调控温室效应的“隐形阀门”，却至今未被纯培养。它们能把甲烷电子“递”给伴生菌、铁锰矿物或人工电极，这条胞外电子传递（EET）路径被视为微生物圈的“暗线”，机制长期空白。
最新研究在生物电化学系统中定向富集淡水类群 ANME-2d“Ca. Methanoperedens”，仅3周就让其占阳极生物膜 82%，甲烷氧化贡献 91–93% 的电流；多电位测试显示，EET 策略几乎不变，核心可能是一套尚未命名的短程电子蛋白复合体，以及类似OmcZ 纳米导线。该结果首次把 ANME 的“电子路线图”拉到可观测尺度，为解锁剩余 90% 未知甲烷汇提供跳板。
图文解读
图1 | 三项实验流程总览
图中标出实验过程中的培养基更换、甲烷依赖性电流测试、循环伏安（CV）与极化扫描、活性测试，以及宏基因组与宏转录组采样和显微观察等事件。实验1所有体系均设生物学三重复；转录组RNA样本采集：0 mV三重复（2生物+1技术，n=2）、200 mV三重复（3生物，n=3）、400 mV四重复（3生物+1技术，n=3）、600 mV四重复（3生物+1技术，n=3），硝酸盐生长条件三重复（3生物，n=3）。转录组RNA样本数差异源于古菌生物量低且RNA提取困难。宏基因组DNA提取：实验1每种条件取1个生物阳极，实验2进行1次。
图2
实验1获得的生物电化学数据，包括不同电位下的测量结果。图中显示三次生物学重复的平均值（n = 3）。
A 更换培养基后，所有系统初始在0 mV vs SHE下运行，随后切换至不同电位（0 mV、200 mV、400 mV或600 mV vs SHE）时的电流产生情况；
B 用氩气替换甲烷以测试甲烷依赖性电流；
C 循环伏安扫描；
D 极化扫描，虚线表示CH₄/CO₂氧化还原对的氧化还原电位−0.249 V。绿色：0 V vs SHE条件；粉色：200 mV vs SHE条件；紫色：400 mV vs SHE条件；橙色：600 mV vs SHE条件。源数据作为源数据文件提供。
图3 | 培养基更换次数与孵育时间对甲烷依赖性电流百分比及“Ca. Methanoperedens”相对丰度的影响
图中蓝色圆点表示微生物群落中“Ca. Methanoperedens”的相对丰度（%），红色圆点表示甲烷依赖性电流百分比，两者均相对于培养基更换次数绘制。宏基因组丰度数据每种条件采集一次生物学重复（n = 1）。甲烷依赖性电流数据：“无更换”条件采集一次生物学重复（n = 1），更换一次培养基采集五次生物学重复（n = 5），更换两次培养基采集四次生物学重复（n = 4）。甲烷依赖性电流平均值以水平线标示。源数据作为源数据文件提供。
图4 | 使用不同显微技术观察生物膜
A–I 共聚焦激光扫描显微镜结合荧光原位杂交（FISH）：FLUOS探针（青）靶向“Ca. Methanoperedens”，Cy5探针（黄）靶向细菌，Cy3探针（绿）靶向Geobacter sp.
J 扫描电镜（SEM）：距电极网较远处可见“Ca. Methanoperedens”大簇，金网附近为致密杆状细菌生物膜
K, L 透射电镜（TEM）：K显示距金网较远的“Ca. Methanoperedens”细胞，L显示金网附近的杆状细菌细胞
本图全部样品来自实验3；A–H三次生物学重复（n=3），C、F、I两次生物学重复（n=2）；SEM两次生物学重复（n=2），TEM两次生物学重复（n=2），均观察到相似结果
图5 | 微生物群落的宏基因组与宏转录组分析
A 宏基因组reads和B RNA-seq reads分别映射到宏基因组组装基因组(MAGs)后，在科水平获得的相对丰度与相对活性。Methanoperedenaceae与Geobacteraceae各含一个MAG，分别被GTDB鉴定为"Ca. Methanoperedens"与Geobacter sp.。仅展示相对丰度或活性>2.5%的分类群。RNA样本采集：0 mV三重复(2生物+1技术，n=2)；200 mV三重复(3生物，n=3)；400 mV四重复(3生物+1技术，n=3)；600 mV四重复(3生物+1技术，n=3)；硝酸盐生长条件三重复(3生物，n=3)。转录组RNA样本数差异源于古菌生物量低且RNA提取困难。宏基因组DNA提取：实验1每种条件取1个生物阳极，实验2进行1次。源数据作为源数据文件提供。
图6 | 电极条件（0 mV、200 mV、400 mV、600 mV）与硝酸盐条件的差异基因表达分析
图中展示“Ca. Methanoperedens”两个可能参与EET的基因簇，以及Geobacter sp. EET相关基因；同时列出电极条件下归一化计数≥30的Ignavibacteriaceae多血红素细胞色素（MHCs），因其EET机制尚不清楚。特别提及Geobacter与Ignavibacteriaceae是因为它们在本研究中被证实具有活性。此外，还加入这三种微生物参与乙酸代谢的酶基因，因为它们可能在“Ca. Methanoperedens”与这两种细菌间的互作中发挥作用。源数据作为源数据文件提供。
图7 | “Ca. Methanoperedens” proposed 代谢及其向电极的假定EET机制总览
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