[交大智慧]上海交大科研團隊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)科研團隊研究成果“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，來自美國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)活動的直接控制，其噴發(fā)和熄滅時間尚無法追蹤和預(yù)測，相應(yīng)地熱液煙囪體微生物生態(tài)群落和系統(tǒng)如何形成和演替仍處于科學(xué)知識的空白區(qū)。
本研究在對來自于東太平洋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，對比綜合全球已報道不同狀態(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，并可以長期（千年以上）保持穩(wěn)定（圖1）。同時研究還發(fā)現(xiàn)了可能指示煙囪近期熄滅狀態(tài)的標志性細菌，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，近期非活躍和長時間熄滅狀態(tài)轉(zhuǎn)換過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變化及其所引起微生物群落對應(yīng)變化的絕佳觀測區(qū)域。本研究中，兩個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)查確認熄滅，因此是一個熄滅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為主要的初級生產(chǎn)者，可能通過耦合金屬硫化物/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
煙囪體照片來源：Stefan Sievert, WHOI/NSF/ROVJason, ? Woods Hole Oceanographic Institution
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圖3?來自于活躍的L-vent和近期非活躍M-vent 173個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，為深入認識深海生物多樣性，環(huán)境-生物共演化和進一步的深海生物保護提供數(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)中的貢獻和作用機制奠定了基礎(chǔ)。
該研究得到了中國大洋礦物資源研發(fā)協(xié)會（DY135-B2-12）和國家自然基金（41530967, 41921006, 91751205）等項目的資助。
全文鏈接:?https://microbiomejournal.biomedcentral.com/articles/10.1186/s40168-020-00851-8
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