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自然资源部第三海洋研究所在深海冷泉微生物生态与进化方面取得重要进展

编译者:liguiju发布时间:Mar 18, 2023点击量:112 来源栏目:科研动态

深海冷泉由以甲烷等为主要成分的流体通过海底断层或裂隙等特定运移通道从沉积物层喷涌或渗漏而形成,通常可指示天然气水合物藏(可燃冰)的存在。作为研究地球深部生物圈的窗口,深海冷泉孕育了独特的生物群落与生态系统。微生物驱动着冷泉生态系统的碳、氮、硫等元素循环过程,对全球气候变化、极端生境的生命演化和可燃冰勘探等具有重要意义。近期,我所董西洋课题组在深海冷泉微生物生态与进化方面取得两项新进展。

进展1 冷泉沉积物微生物种群的进化生态学

深海冷泉沉积物中有丰富多样的细菌和古菌,对生物地球化学循环有重大影响。虽然大量的研究已揭示了冷泉微生物群落的结构和功能,但对其微观多样性(即种群内遗传变异)仍知之甚少。对冷泉沉积物中的好氧甲烷氧化细菌(MOB)、厌氧甲烷氧化古菌(ANME)和硫酸盐还原细菌(SRB)进行微观多样性分析,发现它们在基因组水平上有着不同的进化轨迹,但普遍具有低同源重组率并受到较强的纯化选择。甲烷(pmoA和mcrA)和硫酸盐(dsrA)代谢相关的功能基因在这些微生物中多处于强烈的纯化选择状态。这些基因在不同类群中的进化轨迹有所不同,但在不同的位点上其功能是保守的。MOB、ANME和SRB的基因组及mcrA和dsrA基因的微观多样性具有深度依赖性,在不同位点的沉积物柱氧化还原带中受到不同的选择压力。这些结果强调了深海冷泉极端环境中生态过程与关键细菌和古菌进化之间的相互作用,为海底生物圈中的微生物适应机制提供了线索。

上述研究成果以题为“Evolutionary ecology of microbial populations inhabiting deep sea sediments associated with cold seeps”,在线发表于国际知名学术期刊《Nature Communication》(中国科学院一区TOP期刊,IF=17.69)。董西洋研究员及硕士研究生彭用一为本文第一作者,董西洋研究员和邵宗泽研究员为本文通讯作者。论文链接为:https://www.nature.com/articles/s41467-023-36877-3

进展2 水合物区深部生物圈的碳源和能源获取模式

富含天然气水合物的深海冷泉沉积物中栖息着大量的微生物。在这些沉积物中,上层水体沉降的有机碎屑和水合物分解出的甲烷是深部微生物赖以生存的碳源和能源。然而,哪种代谢方式占据主导地位仍不清晰。以来自南海北部陆坡水合物区钻探柱(最深达海底以下49米)中的微生物为研究对象,通过聚焦不同的氧化还原带,利用宏基因组和宏转录组描述了深部微生物的群落结构和碳矿化过程。微生物群落结构的比较分析发现其在硫酸盐-甲烷氧化界面(SMI)、SMI上方和SMI下方的样品中具有显著差异。在SMI上方,Chloroflexota丰度最高;在SMI下方,Caldatribacteriota占据主导地位。Verrucomicrobiota、Bathyarchaeia和Hadarchaeota在两种类型的沉积物中无明显差别。功能代谢和转录活性分析表明生物大分子的发酵起到关键作用。相比之下,代谢小分子物质的硫酸盐还原细菌和产甲烷古菌则属于稀有物种。烷烃厌氧氧化古菌也为低丰度类群。这些结果表明,在经历甲烷渗漏的深部沉积物中,生物大分子的发酵作用是深部微生物的主要获能途径。

上述研究成果以题为“The majority of microorganisms in gas hydrate-bearing subseafloor sediments ferment macromolecules”,在线发表于国际知名学术期刊《Microbiome》(中国科学院一区TOP期刊,IF=16.837)。章楚雯博士后和广州海洋地质调查局方允鑫博士为本文第一作者,董西洋研究员和中山大学海洋科学学院王江海教授为本文通讯作者。论文链接为:https://doi.org/10.1186/s40168-023-01482-5

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