上海交大科研團(tuán)隊(duì)揭示深海熱液煙囪微生物群落的演替
近日，《Microbiome》雜志在線發(fā)表了上海交通大學(xué)科研團(tuán)隊(duì)研究成果“Microbial succession during the transition from active to inactive stages of deep-sea hydrothermal vent sulfide chimneys” ，上海交通大學(xué)生命科學(xué)技術(shù)學(xué)院博士生侯佳林為第一作者，生命科學(xué)技術(shù)學(xué)院肖湘教授和海洋學(xué)院王風(fēng)平教授為共同通訊作者，來(lái)自美國(guó)伍茲霍爾海洋研究所 (WHOI) 的Stefan Sievert博士為該文的共同作者。
深海熱液區(qū)生態(tài)系統(tǒng)是不依賴于太陽(yáng)光能，由化能自養(yǎng)微生物支撐的典型黑暗生態(tài)系統(tǒng)，具有極高的生產(chǎn)力和生物多樣性。硫化物煙囪體是深海熱液區(qū)的代表性特征結(jié)構(gòu)，由噴發(fā)的超高溫還原性熱液與低溫富氧海水混合造成礦物沉淀聚集形成。海底熱液區(qū)煙囪體的“生活史”（從形成到熄滅）受海底地質(zhì)活動(dòng)的直接控制，其噴發(fā)和熄滅時(shí)間尚無(wú)法追蹤和預(yù)測(cè)，相應(yīng)地?zé)嵋簾焽梵w微生物生態(tài)群落和系統(tǒng)如何形成和演替仍處于科學(xué)知識(shí)的空白區(qū)。
本研究在對(duì)來(lái)自于東太平洋9°-10°N熱液區(qū)域的活躍噴發(fā)煙囪體和近期熄滅煙囪體中微生物群落分析基礎(chǔ)上，對(duì)比綜合全球已報(bào)道不同狀態(tài)煙囪體的微生物群落結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)并提出了熱液區(qū)微生物群落的演替規(guī)律和模式：海底熱液區(qū)微生物生態(tài)系統(tǒng)的演替主要受到能量來(lái)源的轉(zhuǎn)換所控制，在典型的熱液硫化物煙囪體從初始形成到完全熄滅的過(guò)程中，棲息在其中的微生物群落由“熱液主控型”演變成“礦物主控型”，而且這種轉(zhuǎn)換的發(fā)生非常迅速，可以在煙囪熄滅后的數(shù)年內(nèi)完成，并可以長(zhǎng)期（千年以上）保持穩(wěn)定（圖1）。同時(shí)研究還發(fā)現(xiàn)了可能指示煙囪近期熄滅狀態(tài)的標(biāo)志性細(xì)菌，即新劃分為“sulfide mineral”的 Nitrospirae類群（圖1c）。
圖1 熱液硫化煙囪體在形成，成熟，近期非活躍和長(zhǎng)時(shí)間熄滅狀態(tài)轉(zhuǎn)換過(guò)程中微生物群落的演替模式
東太平洋9°-10°N區(qū)域數(shù)十年以來(lái)一直是地球上被研究最為全面和深入的深海熱液環(huán)境之一，該區(qū)域在1991年和2006年分別有過(guò)兩次大規(guī)模海底火山噴發(fā)的記錄，使其成為研究熱液活動(dòng)變化及其所引起微生物群落對(duì)應(yīng)變化的絕佳觀測(cè)區(qū)域。本研究中，兩個(gè)硫化物煙囪體樣本于2014年AT26-10 航次期間采集自該熱液區(qū)域，其中L-vent樣本在采樣時(shí)正在活躍噴發(fā)，而M-vent則處于非活躍狀態(tài)（圖2），后者在2006年大規(guī)模噴發(fā)后已被調(diào)查確認(rèn)熄滅，因此是一個(gè)熄滅7年左右的煙囪體樣本?；谌娴暮昊蚪M學(xué)比較分析，研究發(fā)現(xiàn)活躍的 L-vent 與近期非活躍的 M-vent 具有完全不同的微生物群落結(jié)構(gòu)和代謝特征（圖3），其中具有反硝化潛能的硫/氫氣氧化細(xì)菌 Campylobacteria 和 Aquificae 在活躍的L-vent中占有主導(dǎo)地位，并可以利用還原性三羧酸途徑 (rTCA) 固定CO2；而在近期非活躍的M-vent中，Gammaproteobacteria為主要的初級(jí)生產(chǎn)者，可能通過(guò)耦合金屬硫化物/鐵氧化和硝酸鹽還原支持卡爾文循環(huán) (CBB) 介導(dǎo)的碳固定。此外研究中還發(fā)現(xiàn)一支具有獨(dú)特系統(tǒng)發(fā)育地位的 “sulfide mineral” Nitrospirae 類群具有耦合金屬硫化物氧化和氧氣/亞硝酸鹽/硫酸鹽還原的潛能，并且很可能是一種標(biāo)志微生物可以指示其所棲息的煙囪體正處于熄滅后的早期階段（圖1c）。
圖2 （左圖）活躍的L-vent煙囪體；（右圖）近期非活躍M-vent煙囪體
煙囪體照片來(lái)源：Stefan Sievert, WHOI/NSF/ROVJason, © Woods Hole Oceanographic Institution
圖3 來(lái)自于活躍的L-vent和近期非活躍M-vent 173個(gè)MAG (Metagenome-Assembled Genome) 的基因組特征與代謝潛能
該研究工作揭示了深海熱液煙囪體微生物群落的演替規(guī)律，為深入認(rèn)識(shí)深海生物多樣性，環(huán)境-生物共演化和進(jìn)一步的深海生物保護(hù)提供數(shù)據(jù)和科學(xué)支撐，也為后續(xù)探究深海熱液微生物在地球化學(xué)元素循環(huán)中的貢獻(xiàn)和作用機(jī)制奠定了基礎(chǔ)。
該研究得到了中國(guó)大洋礦物資源研發(fā)協(xié)會(huì)（DY135-B2-12）和國(guó)家自然基金（41530967, 41921006, 91751205）等項(xiàng)目的資助。
全文鏈接: https://microbiomejournal.biomedcentral.com/articles/10.1186/s40168-020-00851-8
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