Genome?Biology:研究解析馬里亞納海溝*深沉積物完整生物圈結構并分離其微生物

Genome Biology在線發表了中國科學院分子植物科學****中心中科院合成生物學重點實驗室研究員李軒課題組和上海海洋大學教授方家松研究組、復旦大學教授南蓬研究組合作完成的題為Revealing the full biosphere structure and versatile metabolic functions in the deepest ocean sediment of the Challenger Deep的論文。

該研究針對地球*深處、馬里亞納海溝挑戰者深淵的沉積物生態環境，利用深度宏基因組分析和大規模微生物培養分離等方法，揭示了地球*深海洋沉積物的完整生物圈，包括**、古菌、真核微生物和病毒的生物群落結構、基因組序列草圖和代謝生物化學潛能。此外，該研究還從馬里亞納海溝沉積物中培養分離了2000多株（包括一些新物種）極端生態環境的微生物**和**。

馬里亞納海溝由兩個地質構造板塊（菲律賓海板塊和太平洋板塊）碰撞擠壓形成。它擁有地球上已知的*深海域，達11，000米深的挑戰者深淵。這里完全黑暗，承受極高的水壓（1100個大氣壓）、低溫（2-4度）、低含氧量，且有機營養物質匱乏，是地球上*惡劣的極端生態環境。對深淵極端生態環境的研究，特別是馬里亞納海溝的生物圈，由于技術條件的限制，遭遇了較大挑戰。雖然同位素標記實驗發現深淵表層沉積物有較活躍的生物代謝活動，但通過16S（核糖體RNA基因）擴增子測序研究馬里亞納海溝沉積物的微生物種群時，僅獲得了**和古菌種類的片段序列信息，學界對馬里亞納海溝沉積物中完整生物圈結構和微生物代謝功能知之甚少，更缺乏微生物群體的基因組序列草圖。同時，學界也對馬里亞納海溝沉積物中真核微生物群落和可能存在的海洋病毒一無所知。該合作團隊等利用“張謇”號海洋科學考察船，于2016年12月至2017年1月對馬里亞納海溝挑戰者深淵開展了海洋物理、海洋化學、海洋生物的綜合生態調查研究。

合作團隊對采集的馬里亞納海溝沉積物標本，利用深度宏基因組測序分析方法，**揭示了地球*深海洋沉積物的完整生物圈，包括**、古菌、真核微生物和病毒的生物群落結構、基因組序列草圖和代謝生物化學潛能。主要研究成果包括：（1）構建獲得了馬里亞納海溝沉積物中、代表26個門的共178個**/古菌的宏因組組裝序列草圖（Metagenome-Assembled Genome），揭示了馬里亞納海溝深淵微生物以混合營養和兼性厭氧代謝為主要特征的生活方式。（2）發現了馬里亞納海溝沉積物真核微生物群落由子囊菌、擔子菌等六個**門為主。這些**具有同化和異化硫酸鹽還原反應、硫氫化合物的氧化反應能力，這些結果暗示了真核微生物在海底生物地質化學循環中的作用。（3）宏病毒組學分析發現馬里亞納海溝沉積物中存在至少15個科的海洋病毒。對主要的有尾噬菌體目（Caudovirales）病毒的進化分析，發現了兩個馬里亞納海溝特異的肌尾噬菌體科（Myoviridae）病毒進化分枝（MT clade I and II）和長尾噬菌體科（Siphoviridae）的 病毒進化分枝（MT clade Ⅲ）。這些病毒攜帶了大量的輔助代謝基因（auxiliary metabolic genes），發現這些基因具有調節病毒宿主碳水化合物代謝、氮和硫的代謝循環的作用。

此外，合作團隊還利用24種不同類型微生物培養基，開展了馬里亞納海溝沉積物標本在不同條件下（4℃/28℃；有氧/厭氧）的大規模微生物培養分離，共分離到超過2000株極端生態環境的**和**，共鑒定了1070種**和19種**，發現了至少19個來源于馬里亞納海溝的**新物種和3個**新物種。高壓培養測試證實了它們的耐壓特性，它們為馬里亞納海溝沉積物的極端環境微生物生長、生理和代謝研究提供了重要的物質基礎。(生物谷Bioon.com）