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== 第一章 光合作用和不产氧光能自养细菌 ==

=== 1.1 什么是光合作用？ ===
一般来说，在包括教科书在内的许多书籍中，光合作用被解释为植物等生物利用光能分解水并从二氧化碳（CO2）中合成糖等有机物质的过程。用专业术语来说，这意味着光激活的高能（高反应性）电子最终将CO2还原为有机物质，同时水被氧化（释放氧气）以撤回电子以补偿用过的电子。光激活的高能电子在少数特殊的吸光叶绿素（Chl）分子中形成，具有高度还原性并易于转移到其他分子。水氧化释放氧气并产生质子（H+），需要高度氧化能力才能从水中撤回电子。这种高度氧化能力可以通过去除光激发电子在特殊的 Chl 分子上产生。

以这种方式在教育上介绍光合作用可能是自然的，因为地球上大多数初级生产都是通过有氧光合作用进行的。然而，地球上存在着大量没有氧气进化的光合微生物，它们具有与有氧光合生物类似的光驱动电子转移系统。所有都是细菌，许多都具有 CO2 同化能力，尽管其他一些细菌没有表现出明显的 CO2 同化活性。后者可能不是光合的，因为它们不合成有机物质。尽管如此，它们具有与光合微生物中看到的几乎相同的光能转换系统。如随后所述，光合作用的本质是光能转换系统，因此所有具有无氧进化（anoxygenic）光能转换系统的细菌，无论其明显吸收CO2的能力如何，都被称为不产氧光养（anoxygenic phototrophic, AnP）细菌。本书介绍并解释了这些AnP细菌的生活方式。本书的另一个目的是表明这些细菌的无氧光能转换系统属于光合作用范畴。

在某些情况下，光合作用一词的使用范围更广，指将光能转换成生物体可以利用的能量形式的任何过程。这种功能现在称为'''光能营养phototrophy'''，<u>光合作用也'''包括'''在这一类别中</u>。<u>使用视紫红质型离子泵的生物是光能营养生物，但不是光合生物</u>。通过 Chls 和光驱动的电子传输系统进行的光能转换有时被称为'''chlorophototrophy'''或'''基于 Chl 的光能营养（Chl-based phototrophy）'''，以避免混淆。视紫红质型离子泵，如细菌视紫红质、盐视紫红质和变形视紫红质，广泛分布于包括真核生物在内的生物体中，并与各种传感器视紫红质一起创造了一个庞大的研究领域。然而，本书并未详细解释使用视紫红质型离子泵的光养作用，因为它在机制和系统上与使用叶绿素和电子传输系统的光合作用不同。

通过叶绿素色素和电子传递链（chlorophototrophy）进行的光能转换<u>只见于细菌域中的生物，包括起源于祖先蓝藻的叶绿体，而古细菌中则未发现这种现象</u>（图 1.1）。本书主要介绍和解释不释放氧气的叶绿素型光养生物，即 AnP 细菌，因为它们具有光合作用功能。

=== 1.2 呼吸作用和光合作用 ===
众所周知，呼吸作用是一种与光合作用相反的生物活动。该术语在科学上用于表示生物体通过将来自高能物质（例如有机物）的电子传输到低能物质（例如氧气）来获得可用能量的主要能量产生活动。例如，我们摄取有机物作为食物，食物分子的很大一部分被用作氧气呼吸的电子源以及我们身体成分的成分。ATP，即生物体中的能量货币，是利用由电子从有机物流向氧气形成的电化学能产生的，根据氧化还原电位差。在氧气呼吸中，有机物被氧化成二氧化碳，氧气（O2）被还原成水。电池中的电子流通过金属线从负极流向正极，而在线粒体中，电子通过一些电子载体从对应于负极的 NADH 或琥珀酸流向对应于正极的氧气。植物型光合作用通常被认为是氧气呼吸的逆反应。通过呼吸作用，有机分子被氧化成 CO2，O2 被还原成水，而光合作用中水被氧化成 O2有机物由CO2 合成。这个概念可能是理解光合作用含义的好方法。然而，呼吸作用和光合作用中 ATP 形成的机制几乎相同（图 1.2）。光合作用与呼吸作用的不同之处仅在于光合作用利用光能产生高能电子源。在植物型（产氧）光合作用中，最终的电子受体不是O2，而主要是CO2（通过碳同化系统，如卡尔文循环）。因此，就碳的还原或氧化而言，光合作用与呼吸相反，而在电子传递和ATP合成方面，光合作用使用与呼吸相似的机制。

=== 1.3 无O2呼吸和无O2光合作用 ===
如前所述，呼吸是一种生物活动，利用从高能物质（高还原力电子供体）向相对亲电物质（高氧化力电子受体）转移电子所产生的能量来产生ATP。这表明，除了我们使用有机物质作为底物的有氧呼吸之外，还有其他类型的呼吸。事实上，一些被称为化学自养生物的原核生物使用无机分子，如硫化氢（H2S）、铵（NH4+）和亚铁（Fe2+）作为电子供体。大多数化学自养生物不需要有机物来生长，因此是可以从 CO2 合成有机物的自养生物。已知某些生物会利用氧气以外的分子作为电子受体，例如硝酸盐 (NO3e)、硫酸盐 (SO4e)、富马酸盐和 CO2，这种呼吸方式称为无氧呼吸。
[[文件:AnP1-2.png|居中|缩略图|图 1.2 光合电子转移过程的主要模式。通过光激发特殊叶绿素对 (P) 而获得的能量增加的电子以粗箭头表示。电子转移以细箭头表示。有关每个电子转移成分的详细信息，请参阅第 4 章。]]
同样，在光合作用中，与使用水作为电子供体的产氧光养生物不同，使用 H2S、H2 和一些有机物作为电子供体的不产氧光合作用的生物广泛分布在地球上。它们是本书的重点，AnP 细菌。在这种类型的光合作用中，高能电子源也是由光能产生的，来自供体的电子流通过与呼吸相同的机制驱动 ATP 合成。光合作用不同于呼吸，因为流向低能受体的电子可以被光重新激发，从而产生能量化的电子供体。这种明显循环利用电子以获得 ATP 的机制称为循环电子传输系统。该系统长期以来一直被认为是紫色光合细菌（第 4 章）（图 4.4）的特征系统，尽管现在已知循环电子传输也用于含氧光合作用。就 ATP 生成而言，循环电子传输系统可以被视为封闭系统。然而，通常情况下，电子会从循环系统流出到其他代谢系统，例如通过 NADH 或铁氧还蛋白进行 CO2 同化，因此需要从某些来源向循环系统提供电子。

在 AnP 细菌中，已知两种类型的光能转换装置，称为反应中心 (RC) 或光系统，如下所述（第 1.5 节）。每种 AnP 细菌都具有这两种类型中的一种。另一方面，植物等产氧生物的光合电子传输系统由两种类型组成（图 1.2）。在产氧系统中，电子供体是水分子，需要强氧化剂（高氧化还原电位）将电子从水分子中拉出，而电子受体铁氧还蛋白是一种高能（低氧化还原电位）物质，不易还原。因此，产氧光合作用需要两个光系统来克服巨大的能量差距。另一方面，AnP 细菌不能氧化水分子。相反，它们有一个简单的光合电子转移系统，只有一个使用高能电子供体的光系统。也就是说，AnP 细菌使用无机分子（如 H2S 和氢 (H2)）或有机分子（如 NADH 和琥珀酸）作为电子供体（表 1.1）。

当它们使用无机分子作为电子供体时，如果它们可以从 CO2 合成有机分子，'''光合自养photoautotrophy'''就成为可能。相反，使用有机物作为电子源的生活方式称为'''光有机营养photoorganotrophy'''。在这种情况下，有机物也被用作碳源，因此，营养状态为'''光异养photoheterotrophy'''。许多 AnP 细菌可以根据其环境作为光自养生物或光异养生物生存。无机分子也可能被用作电子供体，同时，低能有机分子被用作碳源。这种生活方式称为混合营养。许多细菌虽然具有光合电子传递系统，但很少通过光合作用合成有机分子。在这种情况下，电子传递系统应该主要用于产生 ATP，而很少产生 NADH。在以下章节中，将更详细地解释每组 AnP 细菌的光养生活方式的模式和机制。

=== 1.4 什么是不产氧光合细菌？ ===
不产氧光合细菌是具有不产氧光合系统的多种细菌。它们的细胞颜色多种多样（图 1.3）。从系统发育上看，<u>它们分布在在细菌域的六个门中</u>，具有各自的特征（表1.2）。<u>一个共同特征是拥有由一些分子类型组成的'''细菌叶绿素（BChls）'''</u>，而不是植物等产氧光合生物的 Chls（见第 6 章）。从 BChl 的激发开始由电子传递驱动的 ATP 产生与使用 Chl 的产氧光合生物的原理相同。使用电子传递系统是与视紫红质型离子泵产生 ATP 的主要区别。
[[文件:ANP1-3.jpg|居中|缩略图|363x363像素|图 1.3 不产氧光合细菌的培养物。紫色非硫细菌（1）Rubrivaxgelatinosus。（2）Cereibacter sphaeroides。（3）Blastochloris viridis。（4）Rhodopseudomonas palustris。（5）Rhodospirillum rubrum。紫色硫细菌（6）Halorhodospira halophila。Chloroflexi（7）Roseiflexus castenholzii。绿色硫细菌（8）Chlorobaculum tepidum。不产氧光合细菌的颜色多种多样。差异主要取决于类胡萝卜素的组成。]]
BChl 的分子种类称为 BChl a、BChl b、BChl c 等，就像 Chl 是 Chl a、Chl b 等的总称一样（图 1.4）。 BChl a 和 BChl b 的吸收波长比 Chls a 和 b 长，而某些 BChl（如 BChl c）的吸收波长与 Chl a 相似（图 1.5）。

BChl 的名称源于 Chl 是 AnP 细菌所特有的，而不是源于其化学结构。<u>与体外吸收相比，所有 BChl 物种的体内吸收带波长（红移）都更长</u>（图 1.6、图 2.1）。例如，某些紫色光合细菌中的 BChl b 的体内吸收带约为 1000 nm，与体外吸收相比红移超过 100 nm。在含氧光合生物中未观察到 Chl 的如此大的红移。体内 BChl 的大红移是由两个或多个与蛋白质结合的 BChl 分子的自聚集或相互作用引起的。因此，<u>所有 AnP 细菌中 BChls 的主要吸收带均位于不可见的近红外区域</u>（图 1.6）（见第 7.2 节）。因此，大多数 AnP 细菌中 BChls 的颜色不如植物中 Chls 的绿色突出。光合生物具有各种类胡萝卜素（图 1.7 和 1.8）以及 Chls。在 AnP 细菌中最大的一类紫色细菌中，类胡萝卜素的可见颜色比 BChls 更突出，细胞呈红褐色，因此得名紫色细菌（图 1.3）。

AnP 细菌不能使用水作为电子源。相反，它们使用含硫化合物、氢气、有机分子等。这些物质在地球上不像水那样容易获得。因此，AnP 细菌在自然环境中的分布有限（见第 3 章）。另一方面，由于它们不放出氧气，因此可以避免具有所有产氧光合生物（如植物）都必须具备的复杂系统来避免活性氧的光损伤。大多数早已发现的 AnP 细菌，如紫色光合细菌和绿色硫细菌，都具有同化碳（碳固定）的能力，其代谢途径和相关酶已被充分研究（见第 5 章）。最近发现了许多物种，它们具有与传统光合细菌几乎相同的光能转换系统，但几乎不同化碳。在许多情况下他们与AnP归为一类，不仅限于本书，因为碳同化途径（如卡尔文循环）在许多非光合作用化能自养细菌中是已知的，并且不是光合作用所独有的。
[[文件:ANP1-4.png|居中|缩略图|图 1.4 主要细菌叶绿素（BChl）的结构。 BChl a 存在于大多数不产氧光养细菌中，BChl b 是紫色细菌的一部分，而 BChl c 则用于绿色硫细菌和绿屈挠菌的光收集。为了进行比较，图中显示了产氧光养菌的叶绿素 (Chl) a。BChl a 和 BChl b 具有细菌绿素环，而 BChl c 具有与 Chl a 类似的绿素环（见第 6 章）。]]
紫色细菌和绿色硫细菌已为人所知多年，而 20 世纪 70 年代后，发现了不同类型的 AnP 细菌，例如''Chloroflexus''和 ''Heliobacteria''，如后面所述（第 1.6 节）。如图 1.1 所示，随后将解释，AnP 细菌不是单系的。它们是一群多样化的细菌，在许多谱系中与非光合作用亲属共存（图 1.9）。因此，除了光合作用外，它们在形态、移动性、底物利用和代谢等方面高度多样，几乎与非光合细菌相当。作为主要 AnP 细菌的显著形态特征，源自许多紫色细菌的细胞质膜内陷的胞质内膜和绿色细菌中的大型光收集装置（chlorosomes）是众所周知的（第 7 章）。与在叶绿体和蓝藻中观察到的复杂层状膜系统一样，特征结构可能是许多 AnP 细菌有效收集光能所必需的。

许多 AnP 细菌可以通过遗传操作成为非光合细菌，例如大肠杆菌。虽然大多数 AnP 细菌的生长速度不如大肠杆菌高，但它们在最佳条件下表现出足够快的生长速度。没有发现致病物种，可能是因为它们对其他生物的依赖性较低，因为它们具有高能量生产力。许多厌氧 AnP 物种，特别是那些经常用于研究的，对氧气不是特别敏感，可以在没有特定厌氧系统的情况下操纵它们。细菌（包括 AnP 细菌）的系统发育、特性和操纵方法的详细信息在 Bergey’s Manual of Systematics of Archaea and Bacteria（2015）和Rosenberg 等（编）的The Prokaryotes（2014）中描述。

=== 1.5 光合反应中心和光收集系统 ===
上一节解释了光合电子传递的初始反应是 Chl 分子中电子的光激活。然而，在这个过程中，并不是光合生物中的所有 Chl 分子都能向电子传递系统发射电子。具体来说，只有与称为 RC 的复合蛋白质中的特定位点结合的 Chl 分子才能向电子传递链提供光激发电子。特殊的 Chl 分子是两个紧密重叠的分子，称为特殊对（见第 4 章）。大多数其他 Chl 分子的作用是捕获光能并将其传递给 RC。在一般光照条件下，光子的密度不足以以高概率直接击中 RC 中的特殊对。因此，光系统被设计成具有许多天线 Chl 分子来吸收光子，如果其中任何一个被光激发，激发态（激子）最终会转移到 RC。在这个光收集过程中，光激发的 Chl 分子不会发射电子，但它会激发相邻的 Chl 分子，最后激发 RC 中的特殊 Chl 分子对，后者会将电子发射到电子传输链中（参见第 7.4 节）。

如前所述，AnP 细菌的光系统大致分为两种类型。每种 AnP 细菌都会使用两种类型的 RC之一，即光系统 I (PSI) 和光系统 II (PSII)（图 1.2）。在有氧光合作用中，如在叶绿体中一样，这两种类型的 RC 在电子传输系统中结合在一起，而在 AnP细菌中，只使用其中一种类型的光系统 (RC)（参见第 2 章和第 4 章）。<u>绿色硫细菌、日光细菌和氯酸细菌的 RC 在结构和功能上与产氧光合生物的 PSI RC 具有高度相似性</u>。<u>虽然紫色细菌、绿屈挠菌和''Gemmatimonas''的 PSII 型 RC 不能氧化水</u>，<u>但它们在结构和功能上与叶绿体和蓝藻的产氧 PSII-RC 相似。</u>AnP 细菌的 RC 无法从水中释放氧气，这是由于 RC 的光激发特殊对 Chls 发射电子产生的阳离子（空穴）的氧化能力低造成的。也就是说，空穴的氧化还原电位比产氧生物的 PSII 低得多，不足以氧化水（图 1.1）（第 4 章）。 

PSI型和PSII型RC虽然基因同源性较低，但核心结构相似性较高，因此推测它们可能拥有共同的祖先（见第9章）。另一方面，将光能转移到RC的AnP细菌的捕光装置的结构和组织与产氧光合生物有很大不同。AnP细菌的捕光装置大致可分为两类，每个AnP细菌的捕光系统由一种或多种类型组合组成（见第7章）。

=== 1.6 不产氧光合细菌在光合作用研究中的意义 ===
AnP细菌的存在自19世纪就已被认识到。如第3章所述，Winogradsky通过照射环境样品专门富集了紫色硫细菌，并根据其形态对其进行了分类和描述。 1931 年范尼尔 (van Niel) 提出的光合作用通式广为人知。

基于使用 AnP 细菌的实验，他得出结论，光合作用的本质是光诱导的氧化还原反应，并将反应公式化为：

<big>CO2+2H2A → （CH2O）+ H2O + 2A</big>

20 世纪 50 年代初，杜伊森斯 (Duysens) 的研究表明，在紫细菌的光合作用初级反应中，少数 BChl 会发生光氧化，这表明 RC Chl 分子在光合色素系统中存在并发挥着作用 (Clayton,1978; Olson 等，2014)。此后，大约在 1970 年，RC 蛋白本身在产氧光合生物之前从少数紫细菌中分离出来。这使得人们能够详细分析电荷分离反应，并确定 RC 中的分子种类和辅基数量（Feher，1971；Reed & Clayton，1968）。20 世纪 80 年代初，通过基因测序阐明了 RC 蛋白的氨基酸序列，这使得人们能够估计二级结构，并结合光学研究的结果构建 RC 的具体图像。最后，在 1985 年，Michel 及其合作者通过对 RC 晶体的 X 射线分析，成功地揭示了从紫色细菌 ''Rhodopseudomonas viridis''（现名 ''Blastochloris viridis''）中分离出的 RC 的精细结构，从而开启了光合作用研究的新时代。三年后，研究人员获得了诺贝尔化学奖（见第 4.2.1 节和 7.5.1 节）（Deisenhofer 等人，1985 年）。这一成就使得能够详细分析 RC 中的电荷分离和电子运动，并为氧气光合作用的研究提供了重要线索。

在光收集研究中，1975 年报道了一种绿色硫细菌的光收集蛋白 (FMO蛋白) 的精细结构，远远早于 RC 结构（见第 7.3.3 节和 7.4.2 节）（Fenna & Matthews，1975 年）。这种结构首次被发现是一种参与光合作用的色素蛋白，已知它提供了有关蛋白质中 Chl 分子的排列和相互作用的非常详细的信息。紫色细菌捕光蛋白的结构测定晚于其他光合蛋白（McDermott 等人，1995 年）。尽管如此，其美丽的环状结构对理论物理学家和生物学家产生了影响（见第 7.2.3 节）。这样，AnP 细菌在光合作用研究的关键点上作为研究材料发挥了重要作用。

AnP 细菌的 RC 和捕光复合物的结构澄清也为光合作用的起源和进化研究提供了重要信息。如前所述，产氧光合作用的电子传输系统具有复杂的组织，包括 PSI 和 PSII，以及用于水分解的 Mn 簇。如此复杂系统的进化过程引起了人工光合作用等许多领域研究人员的兴趣。在阐明 AnP 细菌的 RC 结构之前，细菌和产氧生物的 RC 结构和反应机制的异同尚不清楚。通过确定基因序列和氨基酸序列，最终阐明产氧光合作用中两类 RC 的三维结构，可以清楚地认识到两类细菌 RC 与产氧光合作用系统的 PSI 和 PSII 的相似性（Jordan et al.，2001；Nanba & Satoh，1987；Umena et al.，2011；Zouni et al.，2001）。这导致人们认识到，作为生物光合作用的突出特征的 RC 中极其高效的电荷分离反应的基本机制是所有光合生物所共有的。日本研究人员对 AnP 细菌的研究做出了许多贡献。例如，专性需氧 AnP 细菌的发现（见第 2 章和第 3 章） （Harashima 等，1989）和 Zn-BChl 的相关发现（Hiraishi & Shimada，2001；Wakao 等，1996）。日本研究人员对 AnP 细菌进行了许多其他领先的研究。以下章节由这些领先的研究人员从各个方面撰写。

=== 1.7 不产氧光养细菌作为生物材料的价值和优势 ===
由于其光合系统组成简单，AnP 细菌自 20 世纪初开始就被用作光合作用研究的实验材料，早于以植物为代表的产氧光合生物。产氧光合生物具有由两个光系统组成的复杂电子传递系统，但每个 AnP 细菌的系统简洁，只有一种 RC（见第 4 章）。此外，它们的光收集复合物种类比产氧光合系统少（见第 7 章）。厌氧细菌光合系统的简洁性可能成为实验材料的优势。此外，使用包括光合细菌在内的细菌可能有利于基因工程和蛋白质的生化处理。此外，由于 AnP在许多方面都具有高度多样性，因此可以根据研究目的使用不同的物种和菌株，并通过比较许多物种来提取有用的信息。 20 世纪 80 年代和 90 年代，AnP 细菌由于在遗传分析方面取得了许多成果，并阐明了 RC 和其他一些光合蛋白的精细结构，成为研究光合作用中光能转换机制的主要研究材料。进入 21 世纪，随着基因操作和结构分析技术的进步，利用蓝藻和拟南芥等植物进行产氧光养菌的研究变得活跃起来，似乎已成为光合作用的主要研究对象。然而，与光合作用的主要过程相关的许多未解决的问题仍然存在，例如电荷分离效率极高的原因。使用具有简单光合系统的 AnP 细菌将是有利的ems，易于处理。

AnP 细菌在保存过程中很少灭亡，可能是因为它们原本就是自然环境中的生物。事实上，许多分离物在密封管中液体培养后可存活数月甚至数年，并在适当条件下接种到新培养基中后恢复生长。这种勤勉的管理并不总是必要的，这可能是 AnP 细菌在实际处理它们时的优势。

并非所有的 AnP 细菌都像植物一样专门进行光合作用。许多细菌可以在没有光的情况下通过呼吸或发酵生长（见第 4 章和第 5 章）。许多可以在厌氧光照条件下利用有机物质进行光异养生长的物种优先在有氧黑暗条件下利用氧气进行呼吸，被称为兼性厌氧 AnP 细菌。在这些物种中，光合机构的合成通常在高浓度氧气存在下受到抑制（见第 8.2 节）。然而，在低氧浓度下，光合蛋白质和 BChls 的合成在无光条件下也可以观察到，在许多兼性紫细菌中，也可以看到胞质内膜的发育。经常用于实验的物种，如红细菌，大多是兼性厌氧物种，在有氧条件下表现出足够的生长，这使得实验操作更容易，例如选择转化突变体。通过环境因素（例如氧浓度）表达光合色素蛋白的调节系统可能可用于监测环境因素的变化。色素蛋白表达系统也可能适用于寻找基因表达的调控因子。BChls 具有与 Chls 一样的高荧光产量，因此很容易被配备近红外检测器的荧光显微镜检测到。许多物种还具有由蓝光或红光控制的基因表达系统，可能可用于构建转基因的光控表达系统（见第 8 章）。 DNA 测序系统的开发促进了许多细菌的全基因组分析。许多 AnP 细菌的全基因组序列也相继被揭示（见第 5.4 节）。与植物等真核生物相比，细菌基因组组织简单，这使得基因操作更容易。AnP 细菌的多样性还体现在其代谢上，已经发现了多种物质（如硫化合物）的代谢途径。基于这些不同的代谢功能和不断增加的基因组信息，AnP 细菌将以多种方式被利用，例如通过选择适当的物种和菌株来生产有用物质和处理水，如果需要，还可以进行基因改造。利用 AnP 细菌生产氢气和可生物降解塑料（如聚羟基链烷酸酯）的研究和开发正在进行中。此外，转化的 AnP 细菌突变体还用于分解持久性物质（见第 10 章）。兼性AnP细菌可以在半需氧黑暗条件下生长并合成色素和光合装置。这一特性使得此类AnP细菌可以在无光条件下大量培养，从而产生色素、光合装置和可能的其他膜蛋白。人们已经通过制造大肠杆菌和一些其他细菌的许多突变体开展了细菌功能的基础研究。大肠杆菌也被用于生产重组蛋白。如前所述，AnP细菌具有大肠杆菌所不具备的许多优势。因此，AnP细菌可能是一种有前途的生物，可用于广泛的实际应用，例如在工业和农业中，以及在光合作用的基础研究中。就生态意义而言，AnP细菌在过去并没有受到太多关注。然而，在广泛的领域中发现了具有光合基因和BChl的专性需氧细菌。本世纪以来，大量此类 AAnP 细菌相继被发现，许多来自有氧环境的光合基因也被检测到，包括海洋。

它们的多样性和在环境中的高度优势，尤其是海洋，引起了人们的关注。对 AAnP 细菌的研究可能是一个有前途的研究领域，不仅对生态学，而且对生理学和进化生物学也是如此。

== 第 2 章 生物多样性和分类学 ==

=== 2.1 引言：分类学的历史 ===
“光养细菌”是指能够将光能转化为化学能的细菌的总称，以叶绿素（Chl）或细菌叶绿素（BChl）为介质吸收光能。其中，那些固定碳（CO2）的细菌被称为光合细菌（Bryant&Frigaard，2006）。由于几乎所有的光养细菌都具有碳固定能力，因此术语“光合细菌”和“光养细菌”经常被用作同义词。传统上，光合作用或光能营养被认为是区分光能营养和化能营养属和种的重要特征。利用光能的原核生物不仅限于这些绿光能营养（基于叶绿素的光能营养）细菌。某些嗜盐古细菌具有光驱动的质子泵和细菌视紫红质，并以光异养方式生长。此外，存在利用光能的细菌，它们具有与细菌视紫红质相似的变形视紫红质和黄视紫红质。细菌中潜在的使用 BChl 和视紫红质系统的双重光能营养为无氧光能营养细菌的生活方式带来了新的方面（Zengetal.，2020）。

本章描述了狭义的光养细菌（即厌氧菌绿素光养细菌）的分类和系统发育，并酌情将其与蓝藻进行比较。 总的来说，在过去的几十年中，无氧光养细菌的分类学和系统发育研究取得了显著进展，大量新的分类群被描述，包括那些没有或未知碳固定功能的细菌。这些包括日光杆菌、许多种需氧无氧光养 ( aerobic anoxygenic phototrophic，AAnP) 细菌和氯酸菌。

许多种无氧光养细菌在自然环境中表现出大量生长，这些生长很容易以红色或粉红色的藻华或微生物膜的形式看到。形成这些彩色藻华的光养细菌早在 19 世纪就被描述为具有科学名称，例如“''Chromatium''”Perty 1852、“''Rhabdomonas''”Cohn 1875 和“''Rhabdochromatium''”Winogradsky 1888，根据当前的分类系统，所有这些名称都可能是 Chromatium 属或其亲属的同义词。当时的描述完全基于对聚集培养物的观察，而表征这些培养物的方法没有得到清晰的描述。在这方面，van Niel（1931 年、1944 年）首次展示了富集培养的原理，并构建了基于纯分离物的早期分类系统。从那时起，光养细菌的分类主要基于表型，例如<u>细胞形态、生长培养物的颜色、光色素类型、硫化氢利用和硫球形成</u>。如此分类的光养细菌群体以其常规名称来称呼：<u>紫色非硫细菌、紫色硫细菌、绿色硫细菌和chloroflexus（丝状不产氧光养细菌）或称作绿色非硫细菌。蓝细菌这个名字，以前称为蓝绿藻，也是基于此系统。</u> 

20 世纪 70 年代末，人们开始认真地利用编目方法比较 16S rRNA 的寡核苷酸片段以及随后的逆转录测序来进行原核生物的系统发育分析，当时光养细菌已经分为 5 个较高的分类单元 (Woese, 1987)。 20 世纪 90 年代以来，基于 PCR 的 16S rRNA 基因测序加速了包括光养细菌在内的原核生物的分类重排，2005 年《伯杰系统细菌学手册》的出版，开始了基于分子系统发育建立层次分类系统的早期尝试。目前，五组不产氧光养生物以俗名指代，即<u>紫色硫细菌/非硫细菌</u>、<u>绿色硫细菌</u>、<u>绿屈挠菌</u>、<u>日光细菌</u>和<u>蓝藻</u>，被分为五个相应的门（表 2.1）。对温泉样品的宏基因组分析发现了'''酸杆菌门Acidobacteriota'''中第一个光养细菌，名为“''Candidatus'' Chloracidobacterium thermophilum”（Bryant 等，2007）。此外，''Gemmatimonas phototrophica'' 被描述为 Gemmatimonadota 门中的微需氧光养细菌（Zeng 等人，2015 年）。此外，还有几种不同的不产氧光养菌属，其名称在撰写本文时尚未得到验证，被描述为候选门'''Eremiobacterota'''的成员。

{| class="wikitable"
|+ Higher taxa and major properties of chlorophototrophic prokaryotes.
|-
! 常用名 !! 门/纲 !! 光系统 !! 碳固定<sup>a</sup>!! 氧气 !! 硫排泄
|-
| 紫色非硫细菌 || ''Pseudomonadota'' <br> ''Alphaproteobacteria'' <br> ''Betaproteobacteria'' || II || CBB || Facultatively anaerobic/anaerobic || -/细胞外
|-
| 紫色硫细菌 || ''Gammaproteobacteria'' || II || CBB || Anaerobic || 细胞内/细胞外
|-
| Aerobic anoxygenic phototrophic (AAnP) bacteria || ''Pseudomonadota'' || II || –/CBB || Aerobic || –
|-
| 绿曲挠菌（绿色非硫细菌） || ''Chloroflexota'' || II || 3HP || Anaerobic || –
|-
| ''芽单胞菌Gemmatiomonas'' || ''Gemmatiomonadota'' || II || – || Microaerophilic || –
|-
| ''Eremiobacteria'' || ''"Candidatus" Eremiobacterota'' || II || CBB || Aerobic || –
|-
| 绿硫细菌 || ''Chlorobiota'' || I || rTCA || Anaerobic || 细胞外
|-
| 日光杆菌Heliobacteria || ''Bacillota'' || I || – || Anaerobic || –
|-
| ''Chloracidobacteria'' || ''Acidobacteriota'' || I || – || Microaerophilic || –
|-
| ''"Candidatus Thermochlorobacter"''<sup>b</sup> || ''Chlorobiota'' || I || – || Aerobic || –
|-
| 蓝细菌 || ''Cyanobacteriota'' || I + II || CBB || – || –
|}

a缩写：3HP，3-羟基丙酸途径；CBB，CalvineBensoneBassham循环；rTCA，还原性TCA循环。

b这些是最近才发现的，但尚未得到IJSEM的验证（Liuetal.，2012；Wardetal.，2019；Yabeetal.，2022）。


虽然国际原核生物命名法典 (ICNP) 的规则没有处理门的等级，但已经使用了大量门的名称。 为了解决这个问题，国际原核生物系统学委员会 (ICSP) 决定将门的等级置于 ICNP 的规则之下，并且已经正式报告了 42 个有效门名称的列表 (Oren & Garrity，2021)。其中，6 个门包含如上所述的不产氧光养细菌（表 2.1）。门名 Cyanobacteriota 和模式属 Cyanobacterium 已被提议包含蓝藻（Oren 等，2022）。<u>因此，目前，具有已验证名称的七个门和一个候选门“Eremiobacterota”涵盖了所描述的光养细菌分类群</u>。古菌域中没有绿光能营养菌（见附录 A）。

在对更广泛的细菌分类群进行分类时，全基因组序列比 16S rRNA 基因序列具有更高的分辨率。因此，全基因组方法对细菌系统学的研究是当前的趋势，正在加速重建包括光养细菌在内的属和种的系统发育和分类框架（Hordt 等人，2020 年）。厌氧光养细菌的系统发育也已从光合功能和进化的角度进行了研究（见第 9 章）。为此考虑的基因是编码光合反应中心蛋白和细菌叶绿素生物合成中的关键酶叶绿素还原酶的基因（Imhoff 等人，2018a、2019；Ward 等人，2019；Yabe 等人，2022 年）。例如，基于光系统 II 型反应中心蛋白的系统发育树显示，光能营养功能广泛分布于 Pseudomonadota 门成员中 (Imhoff 等，2018a；Tahon 等，2016)。尽管光合作用或光能营养长期以来一直被用作区分光能营养属和化能营养属的分类标准，但这一标准在这方面已变得不那么重要，但在表征细菌分离物方面仍然很重要。

=== 2.2 表征、鉴定和新物种的提出 ===

==== 2.2.1 表型 ====
由于不产氧光能营养细菌含有 BChl 和类胡萝卜素色素，它们在液体培养基中的培养物或固体培养基上的菌落呈现出各种色调，如红色、粉红色、橙色、棕色、黄色、绿色和紫色，具体取决于色素成分的组成比例（见图 1.3）。通过测量 60% 蔗糖细胞悬浮液或超声处理的无细胞提取物在近红外波长下的体内吸收最大值，可以确认 BChl 的存在与否。通常，约 800 nm 和 870e890 nm 处的吸收峰来自含有 BChl a 的光化学反应中心色素复合物 I，820 nm 或 850e860 nm 处的峰是由于存在外周天线色素复合物（图 2.1）（见第 7 章）。此外，BChls b、c、d、e 和 g 给出各自独特的光谱（见第 6 章）。由于一些 AAnP 细菌含有少量 BChl，因此通常很难测量体内吸收光谱。在这种情况下，建议对有机溶剂提取物进行分光光度分析（BChl a 的最大吸收波长约为 770 nm）或采用光电二极管阵列检测的高效液相色谱分析。

光养细菌的另一个特征是细胞中存在独特的光合胞质内膜结构。在紫色硫和非硫细菌的情况下，可以观察到称为囊泡、管、束管、堆叠和片层的光合膜结构（图 2.2）。另一方面，绿色硫细菌和绿曲霉菌形成称为绿体的光合细胞器。由于细胞质内膜结构在低光照条件下生长的细胞中发育，因此需要制备此类培养细胞的超薄切片并在透射电子显微镜下观察。然而，在某些紫色非硫细菌和日光细菌中，几乎没有或根本没有内部膜结构。此外，大多数 AAnP 细菌物种缺乏光合膜。

除了细胞形态、光色素光谱和内部膜结构外，还需要进行几项表型测试来鉴定光养细菌并提出新物种（Imhoff & Caumette，2004 年）。这些因素包括生长条件（温度、pH、氧气等）、维生素需求、碳源和氮源的利用以及还原硫化合物作为电子供体的利用，以及化学分类学特性，包括醌、细胞脂肪酸和极性脂质。此外，测试分离株与密切相关物种的典型菌株之间的基因组差异是确定的先决条件提出一个新物种如下。

=== 2.2.2 基因型和分类基因组学 ===
评估原核生物物种间遗传差异的第一种方法是比较16S rRNA基因序列。据报道，98.7%e99.0%水平的16S rRNA基因序列相似性对应于一个物种的遗传边界（Stackebrandt＆Ebers，2006）。一旦获得分离物的序列数据，应将其与16S rRNA序列数据库（例如EzBioCloud）进行检查（Yoon等，2017）。如果发现它与任何相关物种的模式菌株的同源性低于99.0％，它将满足被提出为新物种的条件之一。如果序列相似性大于99.0％，则需要通过适当的方法测量整个基因组的相似性。确定密切相关菌株相关性的一种简单方法是多位点序列分析，该方法基于几个管家基因的连接序列。

传统上，DNAeDNA杂交（DDH）测试已用于将新分离物分配给适当的物种。经典的分子标准建议将 70% 的杂交率作为单个物种遗传同一性的下限（Wayne 等人，1987 年）。今天，可以使用下一代测序仪在相对较短的时间内确定菌株的整个基因组序列。因此，传统的 DDH 方法已被使用数字 DDH 和平均核苷酸同一性（ANI）的计算机基因组比较所取代。虽然不同系统发育物种的基因组大小差异很大（图 2.3），但在相关物种中，基因组大小几乎相同。

因此，ANI 方法被广泛用于基因组水平的比较，ANI 得分为 95%e96%，对应于 70% 的 DDH 水平（Goris 等人，2007；Richter & Rossello-Mora，2009）。例如，数字 DDH 和 ANI 方法用于估计新型绿屈挠菌分离株与已建立的绿屈挠菌物种的典型菌株之间的遗传相关性（Gaisin 等人，2017）。在分类基因组学中，主要方法是基于大量核心蛋白的连接序列重建系统发育树并估计氨基酸身份（Thompson 等人，2015）。 

==== 2.2.3 命名法 ====
不产氧光养细菌的分类学由 ICSP 的光养细菌分类学分委员会 (STPB) 负责管理，随着新物种的发布，分类学系统正在不断完善。对于包括光养细菌在内的原核生物新物种的发布，必须按照 ICNP 的规定，将该物种的指定模式菌株存放在两个或多个国家的公共培养物保藏中心。另一方面，有许多临时物种，即使不能完全分离，也可以通过宏基因组学来确认其新颖性。只有在生态学和基因组信息明确的情况下，才能给此类微生物赋予条件性科学名称 Candidatus，尽管它未被正式认定为新属或新种（Murray & Stackebrandt，1995）。上文提到的光养酸杆菌（Candidatus Chloracidobacterium thermophilum）是第一个在 Candidatus 概念下命名的光养细菌。在分类学和命名法方面，STPB 不仅涉及无氧光养细菌，还涵盖 ICNP 规则下的蓝藻。然而，后者的命名也受《国际藻类、真菌和植物命名法典》（“植物学法典”）的管制。两种法规之间的命名规则差异导致了一个复杂的问题，如果应用 ICNP 规则，只有少数蓝藻物种名称有效，因为它们中的大多数不符合向公共培养物保藏中心进行类型沉积的要求。虽然 STPB 基本上已经表明了其根据 ICNP 规则处理蓝藻的政策，但复杂的情况导致了一项提议，即蓝藻应该不受该规则的约束 (Oren & Ventura, 2017)。如《具有命名法地位的原核生物名称列表》(<nowiki>https://www.bacterio.net/</nowiki>) 中所述，广泛使用的蓝藻科学名称大多是根据《植物学法规》发布的。 

=== 2.3 紫色细菌（Pseudomonadota，以前称为Proteobacteria） ===
自 20 世纪 70 年代末起，C. R. Woese 及其同事大力开展使用 16S rRNA 分类方法对原核生物进行系统发育分析。结果发现，紫色光养细菌与相关化能细菌形成一个大的进化树群。1984年，人们假设这个进化树群是来自紫色光合细菌的一个谱系，于是将其命名为“紫色细菌 division”，并进一步分为α-、β-、γ-和δ-紫色细菌四个subdivisions（Woese，1987）。后来，紫色细菌被正式命名为'''Proteobacteria'''（Stackebrandt等，1988）。随后，在未经证实的情况下，暂时使用Proteobacteria这个名称将其提升到门的水平，其亚纲名称为<u>Alphaproteobacteria、Betaproteobacteria、Gammaproteobacteria和Delataproteobacteria</u>。如上所述，这种情况已通过 ICNP 规则的修订和有效门名 '''Pseudomonadota''' 的发布得到改善，取代了 Proteobacteria，保留了纲名作为子分类单元。

Pseudomonadota 门包括多种光养和化能营养细菌，并包含最多数量的具有有效名称的细菌物种。<u>紫色非硫细菌的分类单元包括在Alphaproteobacteria 和Betaproteobacteria 纲中，而紫色硫细菌的分类单元则属于 Gammaproteobacteria 纲。大多数 AAnP 细菌物种也属于 Pseudomonadota 门，并且分布在三个纲中。</u>

==== 2.3.1 紫色非硫细菌 ====
紫色非硫细菌是光养菌的传统名称，因为它们活性弱或不能利用硫化氢作为电子供体，并且不能积累元素硫球作为硫化物氧化的中间体。它们无法在含有 2 mM 硫化钠的培养基中生长，但有些物种，如 Rhodovulum sulfidophilum，能够在含有超过 5 mM 硫化物的培养基中生长。主要光色素是 BChl a，有些物种有 BChl b。在厌氧和光照条件下，形成 BChl a 结合的光系统 II 型反应中心进行光合作用，并利用卡尔文 (CBB) 循环进行碳固定（见第 5.1.1 节）。然而，紫色非硫细菌倾向于以简单的有机化合物作为良好碳源的光异养，大多数是兼性厌氧菌，也能在有氧和黑暗条件下生长（见表 2.1）。

到目前为止描述的紫色非硫细菌的属和种，以及 AAnP 细菌的属和种，均列于附录 A.1 中。紫色非硫细菌分为 101 种和 29 属，分布在 16 个科、6 个目和 3 个纲中。容纳紫色非硫物种的属几乎完全由光养物种组成。其中，Rhodoferax 属包含光养和化能营养物种。还有一些属包含紫色非硫细菌、AAnP 细菌和化能营养菌的混合物，例如 Hoeflea 属。此外，嗜碱嗜盐菌种 Rubribacterium polymorphum 是一种不寻常的光养菌，在厌氧和光照条件下生长较弱，但在有氧和黑暗条件下生长旺盛 (Boldareva 等，2009)。

28

厌氧光养菌

虽然紫色非硫细菌分为两类，但大多数属于 Alphaproteobacteria 类。从历史上看，该类属和科的分类系统发生了巨大变化，近年来，全基因组方法改进了紫色非硫细菌的分类框架。例如，最受欢迎的属之一 Rhodobacter 于 1984 年随着紫色非硫细菌分类学的重新排列而创建（Imhoff 等人，1984 年），它仍然是一个遗传上异质的群体，而属修订的第一步是提出从该属中移除海洋物种并将其转移到新的 Rhodovulum 属（Hiraishi & Ueda，1994 年）。后来，Rhodobacter 的几种物种被转移到新的属 Cereibacter、Fuscovulum 和 Phaeovulum（Hordt 等人，2020 年；Suresh 等人，2019 年）。此外，Rhodovulum 属已被归入新的 Roseobacteraceae 科（Liang 等人，2021 年），而其余四个属已被归类为 Paracoccaceae 科的成员。分类学重排的另一个例子是，尽管 Blastochloris 属和 Rhodoplanes 属被归类到 Hyphomicrobiaceae 科，但前者目前已被归入新的 Blastochloridaceae 科，后者暂时与 Rhodopseudomonas 属一起归入 Nitrobacteriaceae 科（Hordt 等人，2020 年）。最古老的紫色非硫细菌科作为合法名称，Rhodospirillaceae 科（Pfennig & Tr?uper，1971 年）曾由系统发育多样的光养属组成，现已被修订，同时删除了一些 genera 和新属的增加，包括化能细菌属 (Hordt 等人，2020；Imhoff 等人，1984；Imhoff 等人，1998a；Lakshmi 等人，2014)。紫色非硫细菌的细胞形态极其多样。它们可以是杆状、弯曲的、球形的、螺旋状的或丝状的，具有双峰、出芽或固着的细胞分裂模式 (图 2.4)。一些物种，如 Cereibacter johrii，形成内孢子。大多数物种具有单极和侧鞭毛的运动能力 (图 2.5，AeC)。光养生长细胞的胞质内膜结构通常为囊泡或层状，在某些物种（如 Rhodoferax fermentans）中，这些结构尚未发育（图 2.5，DeF）。在光养条件下生长时，许多物种都发现细胞内聚磷酸盐颗粒和多羟基链烷酸结构作为储存材料。在光养细菌中，紫色非硫细菌的生长特性最为多样，因为它们表现出光能自养、光能有机营养、化学自养和化学有机营养生长。尽管如此，首选的生长模式是以简单有机化合物作为碳源的光异养。除了光合作用外，还有有氧呼吸、无氧呼吸和发酵作用，但生长方式因物种而异。一些

物种表现出光铁营养，即以还原铁 [Fe(II)] 作为电子供体的光依赖性碳固定过程。几乎所有物种都能够进行氮固定。

29

图 2.4 不同种类紫色非硫细菌的一般细胞形态（相差显微照片，比例尺代表 10 毫米）。 (A) Rhodovastum atsumiense 菌株 G2-11T； (B)

Rhodopila globiformis 菌株 DSM 161T； (

C) Pararhodospirillum photometricum 菌株 WP4；

(D) Rhodopseudomonas telluris 菌株 TUT3615T； (E) Rhodoplanes pokkaliisoli 菌株 NBRC 104972T；

(F)嗜酸红芽胞菌株ATCC 25092T；(G)凡氏红微菌菌株DSM 162T； (H) 罗

东方dobium 菌株MB312T； (I)荚膜红杆菌菌株ATCC 11166T； (J)严格红酵母

菌株MB-025T； (K)明胶红痘痘菌株ATCC 17011T； (L) 发酵红蕨菌株 FR2T。

紫色非硫细菌的代谢多样性表现在其基因组大小范围广泛，在醋酸杆菌科、红假单胞菌属和红假单胞菌属成员中基因组最大（>7.0 Mbp）（Imhoff et al., 2018b; Salama et al., 2020）（图 2.3）。在已鉴定的紫色非硫物种（平均基因组大小为 4.3 Mbp）中，红假单胞菌（Rhodopseudomonas palustris）的基因组相对较大（5.46 Mbp），为紫色非硫细菌的生理多样性提供了证据（Larimer et al., 2004）。 15% 的

30

产氧光养细菌

图 2.5 紫色非硫细菌的鞭毛和胞质内膜结构

（负染色 [AeC] 和薄片 [DeF] 电子显微照片，比例尺代表

0.5 毫米）。L，层状结构；P，聚羟基脂肪酸体；PP，聚磷酸盐颗粒；

V，囊泡型结构。（A、D）Rhodopseudomonas telluris 菌株 TUT3615T；（B）Rhodoplanes azumien

sis 菌株 TUT3581T；（C、F）Rhodoferax fermentans 菌株 FR2T；（E）Cereibacter azotoformans 菌株 KA25T。

沼泽红假单胞菌基因组中含有与运输相关的基因，其比例高于一般细菌基因组（5%e6%）。

2.3.2 紫色硫细菌

紫色硫细菌的一般特征是利用硫化氢作为光合作用的电子供体，在细胞内外积累单质硫球作为硫化物氧化的中间体。主要感光色素为BChl a，部分种类还发现有BChl b。在厌氧和光照条件下，以光系统II型BChl a键合反应中心进行光合作用。但在有丙酮酸和乙酸等有机物质存在的情况下生长增强，即兼具光能自养和光能有机异养的特性。碳固定采用卡尔文循环。与紫色非硫细菌不同，紫色硫细菌一般很少进行有氧生长，尽管有些物种，如 Thiocapasa roseopersicina，可以在有氧和黑暗条件下进行化学无机营养或化学有机营养生长。许多物种的耐氧性相对较高，它们在半厌氧和光照条件下的静态培养中生长良好。紫色硫细菌的所有属均由光合物种组成，其中 29 个属和 101 个物种在 ICNP（附录 A.1）下有效发表，它们属于 Gam

maproteobacteria 类中的 Chromatiales 目。其中，Chromatium 属以前包含许多物种，但大多数已转移到已知或紫色硫细菌的已知属被分为三个科，即 Chromatia

ceae、Ectothiorhodospiraceae 和 Halorhodopiraceae。Chromatiaceae 的大多数属仅由光能营养物种组成，此外还包括两个化能营养细菌属。奇怪的是，在光能营养属中，以 P. nitratireducens 为单型物种的 Phaeobacterium 属既不利用硫化物也不利用硫代硫酸盐作为电子供体，表现出光能有机异养作为首选生长方式，并且含有泛醌-10 作为唯一的脂醌 (Nupur et al., 2015)。这些特征是光养 Alphaproteobacteria 的典型特征，属于紫色非硫细菌。

Ectothiorhodospiraceae 科包括两种紫色硫细菌属，并与许多化能营养属混合，包括无色硫细菌和甲基营养细菌。

Halorhodopiraceae 科是最近通过对 Ectothiorhodospiraceae 进行全基因组分类学重新评估而创建的，包括两种紫色硫细菌属（Imhoff 等人，2022 年）。

代表性紫色硫细菌的细胞形态如图 2.6 所示。

与其他不产氧光能营养菌相比，Chromatiaceae 科的紫色硫细菌通常具有较大的细胞，并在细胞内形成元素硫球。 Chromatium 和 Isochromatium 属是代表性物种，它们具有较大的运动细胞，在光学显微镜下常常可以看到它们的束状极性鞭毛。一些物种还具有细胞内气泡。 Chromatiaceae 成员的基因组大小范围为 3.0 至 6.9 Mbp，该范围与紫色非硫细菌的基因组大小相似（图 2.3），这表明紫色硫物种的进化和生态特征存在差异。

Ectothiorhodospiraceae 和 Halorhodospiraceae 科的紫色硫细菌是嗜碱、嗜盐的光养菌，在细胞外积累硫颗粒。

细胞具有螺旋状、弯曲的形态，比 Chromatiaceae 的细胞小。

基因组大小在 2.0e3.2 Mbp 范围内，比 Chromatiaceae 物种的基因组小。这些是外硫红螺菌科和

32

厌氧光养细菌

的特征

图 2.6 紫色硫细菌的一般细胞形态（光 [A] 和相差 [BeF]

显微照片，比例尺代表 10 毫米）。 (A) Isochromatium buderi 菌株 DSM 176T；(B) Chlormatium

okenii 菌株 NKM-3；(C) Thiocapsa roseopersicina 菌株 DSM 217T；(D) Thiodictyon elegans 菌株 DSM

232T；(E) Thiolamprovum pedioforme 菌株 MB356；(F) Ectothiorhodospira mobolis 菌株 DSM 237T。

Halorhodospiraceae 表明它们已经进化到适应狭窄的环境条件

结合其独特的栖息地（例如盐湖和高盐水）。

2.3.3 需氧不产氧光养 (AAnP) 细菌

AAnP 细菌依赖氧气呼吸生长，尽管其光系统包括 BChl。也就是说，与最初定义的光养细菌不同，AAnP 细菌无法在厌氧和光照条件下生长，但在完全大气氧张力下真正表现出需氧光异养生长。因此，在某些情况下，最初被描述为一组严格需氧化学营养菌的细菌属和种后来被确认为包含 AAnP 细菌成员。

33

例如，Acidiphilium 属 (Kishimoto 等人，1995；Hiraishi & Shimada，2001) 和鞘氨醇单胞菌属 (Kopejtka 等人，2021) 就是如此。与需氧细菌的光合功能和无氧光养相关的基因的鉴定正在扩大我们对 AAnP 细菌生物多样性的认识。

AAnP 细菌的存在开始被人们认识到，当时人们发现 BChl a 是在一种需氧甲醇同化细菌中产生的（Sato，1978），这种细菌现在被归类为 Methylorubrum 属的成员（Green & Ardley，2018）。大约在同一时间，

报道了含有 BChl a 的需氧海洋细菌（Shiba 等人，1979）。因为，

在这些发现之前，人们普遍知道无氧光养细菌在缺氧条件下利用光能生长，所以 AAnP 细菌的相继发现令世界大吃一惊。除微需氧菌“Chloracidobacterium

thermophilum”和Gemmatimonas phototrophica外，迄今为止报道的所有AAnP菌种都属于Pseudomonadota门。一个例外是最近描述的需氧光养菌“Vulcanimicrobium alpinus”，它被归入候选门“Eremiobacterota”（Yabe et al., 2022）（见第2.7.3节）。此外，“Candidatus Thermochlorobacter

aerophilum”是一种需氧光养菌已经描述了一种类似于“嗜热氯酸杆菌”的细菌（Liu 等人，2012 年）。在发现 AAnP 细菌后的一段时间内，它们的分类单元仅限于 Alphaproteobacteria 类。1998 年，Roseateles 属被描述为 Betaproteobacteria 的成员（Suyama 等人，1999 年），自 2007 年以来，属于 Gammaproteobacteria 的海洋 AAnP 细菌已被分离并进行了分类学描述（Fuchs 等人，2007 年；Spring 等人，2009 年；2013 年）。目前，119 个物种和 63 个属被描述为包含 AAnP 细菌的有效分类单元（附录 A.1），其中大多数位于 Alphaproteobacteria 内。生丝微生物目、红杆菌目和红螺菌目包含许多 AAnP 细菌属以及紫色非硫细菌，而鞘氨醇单胞菌目没有确定的紫色非硫细菌属，也包含一些 AAnP 属。基于基因组的系统研究加速了 AAnP 细菌的分类学重排。这方面的一个例子是，对红杆菌科的系统基因组学分析表明，红杆菌属、红微菌属和卟啉杆菌属的所有描述种都被归类为红杆菌属 (Xu et al., 2020)。此外，ANI 对 Acidiphilium 基因组的研究表明，A. cryptum 和 A.multivorum 菌株以及 A. angustum 和 A. rubrum 菌株应归类为同一物种 (Li et al., 2020)。

Acidiphilium 属属于醋杆菌科、红螺菌目，是 AAnP 细菌中最有趣的属之一，因为它包含含锌 BChl (Zn-BChl) a 的成员。如前所述，该属最初被描述为嗜酸化能营养菌，但后来发现它包括许多通过 Zn-BChl a 驱动光依赖性电子转移的物种 (Hiraishi & Shimada, 2001; Wakao et al., 1996)。与卡尔文循环相关的基因，以核酮糖 1,5-二磷酸羧化酶 (Rubisco) 为关键酶，被发现于 Acidiphilium 物种的基因组中 (Li et al., 2020)。其他已证实基因组中存在 Rubisco 的 AAnP 细菌包括 Acidisphaera rubrifaciens、Bradyrhizobium oligotrophica、Hoeflea phototrophica 和 Methylorubrum 物种。

已描述的 AAnP 属数量最多的是红细菌目，其子类群包括副球菌科和玫瑰杆菌科 (附录 A.1)。大多数 AAnP 细菌来自海洋环境和盐湖，需要盐才能生长。自然栖息地大多是贫营养环境，但它们利用光能固定碳的能力尚不清楚。例如，在 Roseobacter denitrificans OCh114T 和 Dinoroseobacter shibae DFL12T 菌株的基因组中未检测到编码卡尔文循环的基因，因此人们暂时认为它们具有光异养或混合营养代谢，而不是光合作用 (Swingley 等人，2007 年；Wagner-Döbler 等人，2009 年)。实际上，D. shibae 在光照下生长，与通过乙基丙二酰辅酶 A (EMC) 途径增强通量吸收 CO2 有关 (Bill 等人，2017 年)（见第 5.1.4 节）。有趣的是，一些属，如 Hoeflea 和 Rhodobacter，包括 AAnP 和紫色非硫物种。从 37Chas 温泉径流中分离出的 AAnP 细菌菌株被命名为 Rhodobacter calidifons，其基因组编码一种独特的黄红菌素 (Kyndt 等人，2022)（第 1 栏）。

2.4 绿色硫细菌及其亲属

顾名思义，绿色硫细菌是严格的厌氧光养菌，由于硫化物氧化，在细胞外形成元素硫颗粒，从而产生绿色培养物。一些物种的培养物是棕色的。这些培养物的颜色取决于主要感光色素 (BChl c、d、e) 和类胡萝卜素的组成。光合装置叶绿体以光系统 I 型反应中心和 BChl a 结合 Fenna-Matthews-Olson (FMO) 蛋白而闻名（见第 7.3 和 7.4 节）。光合自养以还原性硫化合物作为碳固定的电子供体，是其主要生长方式。根据物种不同，硫代硫酸盐、氢和亚铁也可用作还原剂。绿色硫细菌还具有所谓的光合混合营养特性，在硫化物作为电子供体的情况下利用有机物（如醋酸盐和丙酮酸盐）以及二氧化碳。与紫色硫细菌相比，绿色硫细菌需要更强的厌氧条件和更弱的光强度才能进行光养生长。细胞形态多样，包括杆状、螺旋状、球形和网状细胞，其尺寸比紫色硫细菌小得多。细胞不运动。图中显示了作为代表性物种的 Chlorobium limicola 的相差细胞图像在图 2.7B 中。

所有绿色硫细菌物种都属于 Chlorobiota 门。该门

以前被认为是仅由绿色硫组成的单系群

35

第 1 列 AAnP 细菌的多样性

如正文和附录 A.1 所示，AAnP 细菌是一个多样化的群体，其许多物种

广泛分布于整个系统发育树中。此外，在海水等天然有氧环境中，许多未被发现或未被描述的细菌中都发现有光合基因，其中大多数被认为是 AAnP 细菌。AAnP 细菌来自各种环境，其生理特性非常多样化，与系统发育分类的多样性相对应。与传统光合细菌的不同之处在于它们不在厌氧和光照条件下生长，尽管这一特征的原因尚未阐明。在许多 AAnP 物种中，光合色素的含量相当低，甚至没有。也就是说，在许多物种中，光合基因几乎不表达，并且充分表达的条件未知。

关于拥有光合能力的意义，增殖和/或生存的优势被认为是可能的，并且在某些物种中已经报告了支持数据，而大多数物种从未被研究过。关于 AAnP 细菌的起源，至少可以假设两种模式。一种是正常的兼性厌氧光合细菌已经突变为专性需氧，另一种是专性需氧细菌通过水平转移获得了光合基因（见第 8.1 节和第 9.8 节）。

此外，似乎有许多复杂的情况，其中上述模式组合或重复。

图 2.7 丝状不产氧光养细菌、绿色硫细菌和日光杆菌的代表性物种的一般细胞形态（比例尺代表 10 毫米）。（A）Chloroflexus aurantiacus 菌株 DSM 635T（相差）；（B）Chlorobium limicola DSM 菌株 245T（相差）；

（C）Heliobacterium chlorum 菌株 ATCC 35205T（扫描电子显微照片）。

细菌，但 Ignavibacteria 类由高度分化的化学营养菌组成，于 2010 年在此门内创建。从那时起，所有绿色硫细菌物种都被归入 Chlorobiia 类，其子分类单元为 Chlobiales 目。

36

不产氧光养细菌

此外，所有绿色硫细菌属都被归类为一个科，

Chlorobiaceae，但最近有人提议将其中一个属 Chloroherpeton 从该科中移除，并转移到新的科 Chloroherpetonaceae

(Bello 等人，2022)。因此，从中移除 Chloroherpeton 属的 Chlorobiaceae

包括 5 个属和 17 个有效发表的物种（附录 A.3）。

基于表型的绿色硫细菌的经典分类法存在问题。基于 16S rRNA 和 FMO 基因序列的系统发育关系与培养物颜色和光合色素组成（BChl c、d、e）的表型差异不符，因此很难从表型上描述绿色硫属（Imhoff，2003、2014；Imhoff & Thiel，2010）。

绿色硫细菌的基因组大小范围为 2.0 至 3.1 Mbp（平均 2.6 Mbp），与其他光养细菌组相比较小（图 2.3）。绿色硫细菌的基因组信息显示，共有 1400e1500 个基因，这些基因与独特的光合色素合成途径一起，包括硫化物、氢和还原铁的氧化能力，以及通过还原性 TCA (rTCA) 循环的碳固定系统 (Davenport 等人，2010)（见第 5.1.2 节）。就类胡萝卜素合成系统而言，绿色硫细菌与蓝藻的相似性高于与其他不产氧光养细菌的相似性。绿色硫细菌的基因组中似乎很少有基因参与有机物的吸收或转录调控。尽管许多种绿色硫细菌在生理上都是光合混合营养的，但基因组信息表明，这种系统发育群已经进化出一种在狭窄环境条件下专门用于光合自养的生长模式。值得注意的是，一项对美国黄石国家公园温泉微生物垫的宏基因组学和宏转录组学研究表明，在 Chlorobiota 门中存在一种尚未培养的需氧光合异养细菌，并被命名为“Candidatus Thermochlorobacter aerophilum”（Liu 等人，

2012 年）。该细菌的基因组（3.18 Mbp）编码光合反应中心蛋白（PscA、PsaB、PsaC 和 PsaD）、BChl a 结合 FMO 蛋白（FmoA）和氯osome 底板蛋白 (CsmA)，所有这些都在绿色硫细菌中很常见，但它缺乏已知的 CO2 固定途径的任何基因（见表 2.1）。基于 16S rRNA 的系统发育分析表明，“Candidatus Thermo chlorobacter aerophilum”在 Chlorobiales 目中形成了一条独特的血统线（Liu 等人，2012 年）。另一方面，这种未培养的细菌在基于 282 个保守蛋白质的连接序列的系统发育树中与 Chloroherpetonaceae 科的成员聚类为其姊妹谱系（Bello 等人，2022 年）。 2.5 绿屈挠菌及其亲属

绿屈挠菌及其光养亲属属于绿屈挠菌门，传统上被称为丝状不产氧光养细菌或绿色无硫细菌。它们是一类兼性光养菌，生长形态为绿色至橙色。首选生长方式是利用简单有机化合物进行厌氧光合异养，在有氧和黑暗条件下也可以进行化学异养生长（Hanada & Pierson，2006；Pierson & Castenholz，1995）。不同物种的光合自养生长能力各不相同。光合作用是通过 II 型 BChl a 结合反应中心进行的，根据物种的不同，可能带有或不带有叶绿体作为光收集系统。叶绿体含有 BChl c 或 BChl d 和类胡萝卜素作为辅助色素。然而，与绿色硫细菌和氯酸细菌不同，Chloroflexota 光养菌缺乏 FMO 蛋白，而是具有另一个天线复合体 B806e866（见第 7.3 节）。

从形态上看，丝状 AnP 细菌的特点是具有长而滑行的多细胞细丝，其长度不确定，直径为 0.5e5 毫米（图 2.7A）。由于这种形态特征，这些细菌很容易在其自然栖息地形成可见的微生物垫，以其绿色、橙色和粉红色为特征。不同物种的滑行运动速度差异很大，对于 Chloroflexus aurantiacus 来说，其速度为 0.01 到 0.04 毫米/秒，而对于 Heliothrix oregonensis 来说，其速度最高可达 10 倍。此外，

绿屈挠菌 (Chloroflexus aggregans) 的滑行速度为 1e3 mm/s，会形成致密的

细胞聚集体，这取决于光合作用或呼吸作用产生的能量

（Hanada 等人，2002 年）。这种细胞聚集在瓶中的液体培养基中迅速发生，每次在分散的细胞悬浮液沉降后的 20e30 分钟内发生。

绿屈挠菌门中包含的光养属列于附录

A.3。该门是光养属和严格化学营养属的混合体，分为

8 个类。所有作为有效分类单元的光养成员仅包含在绿屈挠菌纲中，其子分类单元为绿屈挠菌目 (Chloroflexales)。光养属分为三个科，即绿屈挠菌科 (Chloroflexaceae)、玫瑰屈挠菌科 (Roseiflexaceae) 和颤氯菌科 (Oscillochlorida

ceae)（Gupta 等人，2013 年）。 Chloroflexaceae 和 Roseiflexaceae 的成员是嗜热的，通常很少或根本不表现出以硫化物为还原剂的光能营养生长。然而，一些 Chloroflexus aurantiacus 和 Chloroflexus aggregans 菌株以硫化物或氢为电子供体生长缓慢 (Ward 等人，2019 年；Kanno 等人，2019 年；Kawai 等人，2019 年)。另一方面，Oscillochloridaceae 容纳了中温和硫化物氧化光能营养物种。除了上述丝状不产氧细菌外，还描述了一些名称无效或归入 Candidatus 类别的光能营养物种。Ward 等人(2018) 报道称，“Kouleothrix aurantiaca”最初被描述为一种引起活性污泥膨胀的中温丝状化能营养菌种，具有光合基因簇，在系统发育上与 Roseiflexaceae 科有关。通过对日本温泉中的微生物垫进行宏基因组测序，他们还发现了一个未培养的厌氧光养细菌簇，该菌种在系统发育上与其他 Chloroflexota 光养菌相距甚远，他们为其提出了类名“Candidatus Thermofonsia”（“Ca. Thermofontia”更正）。最近，从深海冷泉中分离出一种中温光养菌株，将其命名为“Phototrophicus methaneseepsis”，作为一个新的属和种，并归入“Candidatus Thermofontia”（Zheng 等，38 厌氧光养细菌 2022）。另一项对中温石化微生物垫的宏基因组分析导致提出了“Candidatus Lithoflexus mexicanus”的提议，它在系统发育上与 Roseiflexaceae 相关（Saghai 等人，2020 年）。此外，“Candidatus Chloroploca asiatica”（Gorlenko 等人，2014 年）、“Candidatus Viridilinea mediisalina”（Gaisin 等人，2019 年）和一些尚未进行无菌培养的其他光养生物被描述为 Oscillochloridaceae 科的成员或亲属。丝状 AnP 物种的基因组大小为 4.3e5.7 Mbp，编码基因通过两种不同的途径参与岩石自养代谢。

Chloroflexaceae 和 Roseiflexaceae 通过 3-羟基丙酸 (3HP) 循环固定碳 (Klatt 等人，2007；Tang 等人，2011)（见第 5.1.3 节），而 Oscillochloris 物种没有任何 3HP 途径的主要酶，但使用卡尔文循环进行碳固定 (Gaisin 等人，2020；Kuznetsov 等人，2011)。

2.6 Heliobacteria

Heliobacteria 是一组严格厌氧的光合异养菌，在有限范围的有机底物上生长，于 1983 年首次描述（Asao & Madigan，2010；Sattley & Madigan，2014）。日光杆菌与其他厌氧光养菌不同，它们具有独特的光系统 I 型反应中心，以 BChl g 为主要光色素。在有氧条件下，BChl g 吸收光能后异构化为 Chl a 类化合物。厌氧光异养是首选的生长方式，但也可以以丙酮酸或乳酸为生，进行暗发酵生长。日光杆菌的光养培养物呈绿色至翠绿色。所有已确定的物种都是固氮菌。细胞大而长（图 2.7C），具有革兰氏阳性细胞结构，能够产生耐热的内生孢子。主要栖息地是土壤中的缺氧区。所有日光杆菌属均属于日光杆菌科、真细菌目、梭菌纲和芽孢杆菌门。迄今为止，已提出五个属来容纳日光杆菌种，但基于基因组的 ANI 比较草案显示，其中两个属，即日光杆菌属和日光杆菌属，是同义词，前者具有命名优先权 (Kyndt 等人，2021)。此外，Heliobacterium modestical

dum、Heliobacterium undosum 和 Heliobacterium gestii 与模式种 Heliobacterium chlorum 差异更大，已转移到新的 Heliomicrobium 属。

Heliorestis convoluta 被正确识别为与 Heliorestis acidamini

vorans 属于同一属。 Heliophilum fasciatum 显然与其他细菌不同，理应属于一个单独的属（附录 A.3）。

heliobacteria 的基因组大小范围为 3.0 至 4.1 Mbp。迄今为止分析的 heliobacteria 基因组的共同点是缺乏任何编码自养途径（如卡尔文循环和 3HP 循环）的基因，存在超操纵子簇的光合作用相关基因，以及参与内生孢子形成和氮固定的基因（Bender 等人，2022 年；Dewey 等人，2020 年；Sattley 等人，2008 年）。这些基因组特征表明，heliobacteria 已经独特地进化出了一种专门针对光有机异养和土壤生境的代谢功能。如上所述，严格来说，heliobacteria 是光养的，但不是光合作用的。所有 heliobacterial 物种都是

固氮营养的，那些已经分析过基因组的物种都有经典的 nif 基因，编码二氮酶 (nifDK) 的 α 和 β 亚基。Heliophilum fasciatum 是一个例外，它缺乏经典的 nif 基因，但它有编码几个高度分化的 NifDK 同源物的基因 (Bender 等人，2022)。

2.7 其他不产氧光养生物

2.7.1 氯酸细菌

通过对美国黄石国家公园碱性温泉沉积物的宏基因组分析，发现了一种名为“Candidatus Chloracidobacterium thermophilum”的微需氧光养细菌。这是第一个被分配到 Acidobacteriota 门的光养细菌 (Bryant 等人，2007)。后来，获得了无菌培养菌株，并正式命名为“Chloracidobacterium thermophilum”作为新的属和种名（Tank & Bryant，2015）。然而，在撰写本文时，这个名字还没有得到验证。来自温泉的其他分离株的系统基因组学表明，Chloracidobacterium 属包括多个物种（Saini 等人，2021 年）。Chloracidobacterium 分离株是嗜热的（生长温度为 44Ce58C）和微需氧的。它们有一个光系统 I 型反应中心和叶体，除了 BChl c 作为主要叶绿素外，还生物合成 BChl a、Chl a 和 Zn-BChl a'。从“C”中分离的 FMO 蛋白。 “嗜热菌”具有与绿色硫细菌不同的独特光谱特征（Tsukatani 等人，2010 年）。据推测，这种差异可能与氯酸菌的需氧光养性质有关。约 3.7 Mbp 基因组不包含任何碳固定途径基因，例如 Calvin、rTCA 或 3HP 循环，这表明氯酸菌是光异养的。与光养细菌不同，“嗜热菌”具有部分饱和的甲基萘醌 MK-8(H2) 作为主要醌成分。

2.7.2 芽孢杆菌

芽孢杆菌门最初被描述为“BD 组”，这是一个临时的系统发育组，由未培养的 16S rRNA 基因 c孤菌，从中获得第一个分离株，从而提出了一个新的属和种，Gemmatimonas aurantica（Zhang 等，2003）。这种细菌本身是一种需氧化能营养菌，能够积累多磷酸盐。后来，微需氧光养细菌 Gemmatimonas phototrophica 作为一个新种被添加到该属中（Zeng 等，2015）。

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厌氧光养细菌 Gemmatimonas phototrophica 菌株 AP64T 是从中国的一个湖泊中分离出来的，具有杆状至丝状（宽 12 毫米）细胞，在固体培养基上形成红色菌落。G. phototrophica 是一种微需氧光合异养细菌，在完全大气氧张力下不能生长。其生长需要氧分压为 9.8%e15.2%。存在 BChl a 键合光系统 II 型反应中心，在 816 和 866 nm 处显示最大吸收。基因组中有一个 43.2 kb 的光合基因簇（4.7 Mbp），基因排列与光养 betaproteobaterium Rubrivivax gelatinosus 菌株 IL144 相对相似。在基于光合基因的系统发育树中，G. phototrophica 的位置根据用于树重建的基因发生了巨大变化，位于 Pseudomondota 门内和门外。这可能意味着光合基因簇在门的谱系中发生了大规模的水平转移（Zeng 等，2014；见第 8 章和第 9.8 节）。 2.7.3 “Candidatus Eremiobacterota” 光养菌

候选门 WPS-2 首次在多氯联苯污染土壤的 16S rRNA 基因克隆文库研究中被描述，后来基于对南极土壤的宏基因组分析，将其命名为“Cadidatus Eremiobacterota”（Ji 等，2017）。该候选门包括一些尚未培养的不产氧光养菌候选属，以“Candidatus Baltobacter”（Ward 等，2019）为代表，最近又添加了一个可培养成员“Vulcanimicrobium”（Yabe 等，2022）。

“Vulcanimicrobium alpinus” 菌株 WC8-2 是属于“Candidatus Eremiobacterota”的第一株可培养的需氧

厌氧光合异养细菌，分离自南极洲埃里伯斯火山的喷气孔冰洞（Yabe 等人，

2022 年）。这种细菌的独特之处在于它可以有氧生长，但需要高浓度的二氧化碳。细胞是杆状或细丝状的，具有囊泡型胞质内膜系统。菌株 WC8-2 (3.5 Mbp) 的基因组编码一个厌氧

II 型反应中心 (pufL、pufM 和 pufC)，以及一套完整的 BChl a 生物合成基因。它还具有一套完整的参与卡尔文循环的基因组，包括 IE 型 Rubisco 和磷酸核酮糖激酶基因。

特别值得注意的是，从系统发育学角度来看，光养性 elemiobacteria 的 PufL 和 PufM 蛋白形成单系进化枝，是迄今为止与已知具有 II 型反应中心的光养生物最远的进化枝（Ward 等人，2019 年；

Yabe 等人，2022 年）。在基于 BchLNB

或 BchXYZ 连接蛋白重建系统发育树时，还发现“V. alpinus”与其他光养生物之间存在遥远的系统发育关系。这一事实不仅表明候选门“Eremiobacterota”的光合作用具有特殊性，而且为理解光合作用进化提供了进一步的见解。

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参考文献