7月13日，Genome Biology 在線發表了中國科學院分子植物科學卓越創新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、複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。

該研究針對地球最深處、馬裡亞納海溝挑戰者深淵的沉積物生态環境，利用深度宏基因組分析和大規模微生物培養分離等方法，揭示了地球最深海洋沉積物的完整生物圈，包括細菌、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，該研究還從馬裡亞納海溝沉積物中培養分離了2000多株（包括一些新物種）極端生态環境的微生物細菌和真菌。

馬裡亞納海溝由兩個地質構造闆塊（菲律賓海闆塊和太平洋闆塊）碰撞擠壓形成。它擁有地球上已知的最深海域，達11,000米深的挑戰者深淵。這裡完全黑暗，承受極高的水壓（1100個大氣壓）、低溫（2-4度）、低含氧量，且有機營養物質匮乏，是地球上最惡劣的極端生态環境。對深淵極端生态環境的研究，特别是馬裡亞納海溝的生物圈，由于技術條件的限制，遭遇了較大挑戰。雖然同位素标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）擴增子測序研究馬裡亞納海溝沉積物的微生物種群時，僅獲得了細菌和古菌種類的片段序列信息，學界對馬裡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，學界也對馬裡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”号海洋科學考察船，于2016年12月至2017年1月對馬裡亞納海溝挑戰者深淵開展了海洋物理、海洋化學、海洋生物的綜合生态調查研究。

合作團隊對采集的馬裡亞納海溝沉積物标本，利用深度宏基因組測序分析方法，首次揭示了地球最深海洋沉積物的完整生物圈，包括細菌、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）構建獲得了馬裡亞納海溝沉積物中、代表26個門的共178個細菌/古菌的宏因組組裝序列草圖（Metagenome-Assembled Genome），揭示了馬裡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）發現了馬裡亞納海溝沉積物真核微生物群落由子囊菌、擔子菌等六個真菌門為主。這些真菌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裡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，發現了兩個馬裡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，開展了馬裡亞納海溝沉積物标本在不同條件下（4℃/28℃；有氧/厭氧）的大規模微生物培養分離，共分離到超過2000株極端生态環境的細菌和真菌，共鑒定了1070種細菌和19種真菌，發現了至少19個來源于馬裡亞納海溝的細菌新物種和3個真菌新物種。高壓培養測試證實了它們的耐壓特性，它們為馬裡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。

該研究工作獲得了國家重點研發計劃、國家自然科學基金和中科院戰略性先導科技專項的支持。

馬裡亞納海溝深淵沉積物生态環境中：(A)26門178種細菌/古菌系統發育樹；(B)真菌群落的物種豐度及其碳水化合物活性酶和肽酶家族基因分布；(C)深淵病毒-宿主互作關聯網絡；(D)培養分離的耐壓真菌

來源：中國科學院分子植物科學卓越創新中心

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