中国海洋大学在马里亚纳海沟深渊微生物研究方面取得最新进展

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2020年6月2日，中国海洋大学海洋生命学院张晓华教授团队在微生物学领域权威期刊Microbiome上在线发表了“Novel insights into the Thaumarchaeota in the deepest oceans: their metabolism and potential adaptation mechanisms”（对海洋最深处奇古菌的新见地：代谢及潜在适应机制）的最新研究成果（doi: 10.1186/s40168-020-00849-2）。

该项成果的通讯作者为张晓华教授，第一作者为张晓华教授的硕士研究生钟浩辉。该项工作同时得到了学校海洋与大气学院田纪伟教授及东英吉利大学Laura Lehtovirta-Morley博士和Jonathan D. Todd教授的鼎力支持，彰显出学科交叉与国际合作的重要性。

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图2 马里亚纳海沟深渊氨氧化古菌的代谢通路

奇古菌下属的氨氧化古菌（AOA）是一类化能无机自养微生物，可通过氧化氨获得能量实现不依赖阳光的无机碳固定，在碳和氮的生物地球循环过程中发挥关键作用。此前对海洋氨氧化古菌的研究大多基于表层海洋，而对于深海，特别是海洋最深处——马里亚纳海沟的氨氧化过程及其承担者的关系知之甚少。在本项工作中，项目团队对田纪伟教授团队自主研发的国际首套大体积声控深海采水器所采集的马里亚纳海沟全水柱海水样品进行了分析，得到了多个氨氧化古菌基因组，发现马里亚纳海沟深渊水体中的氨氧化古菌与“普通”深海以及表层水体类群均有差异，不仅能够参与氨氧化和碳固定，而且拥有较为特殊的代谢机制，如合成特殊的渗透保护剂二肌肉肌醇磷酸、潜在的钠离子通道相关能量代谢等。这些代谢特性可能是奇古菌适应深渊极端环境的重要生存机制。后续通过对海沟水体转录本的检测证实了氨氧化古菌参与氨氧化及碳固定，并发现一种此前仅在深海热泉嗜热菌中发现的渗透保护剂的转录证据。本研究结果是课题组前期发现“烃类降解菌在马里亚纳海沟底层水的勃发”（Liu et al. Microbiome, 2019, 7: 47）后所取得的又一项重要成果，揭示了世界最深处水体中关键的氮循环参与者及生产者的代谢及适应机制，为深入理解极端环境微生物如何与环境互动提供了启发。

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本研究所用样品依托青岛海洋科学与技术国家实验室和全球变化专项等项目资助的马里亚纳海沟综合观测试验。研究工作获得了国家自然科学基金、中国海洋大学基本科研业务费、鳌山科技创新计划等项目资助。

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此外，课题组近期对我国东部边缘海底栖古菌的群落构建机制与物种共存模式进行了探究，发现底栖古菌群落的空间异质性显著大于季节异质性，呈现明显的不随季节变化的“距离—衰减”分布模式，随机性因素（扩散限制和生态漂变为主）是形成底栖古菌“距离—衰减”模式的主导生态机制，其影响高于确定性因素（均质化环境选择为主）；冬季随机性因素的相对影响（两种因素解释度的比例）小于夏季，这与冬季更为紧密的物种共存关系相符，表明随机性因素对微生物个体影响的增强减弱了它们之间的相互作用。该研究首次揭示了近海底栖生境中决定微生物群落构建过程的生态学机制及其季节变化规律，提出了群落构建过程影响物种互作模式的新观点。成果发表在微生物生态学领域权威期刊The ISME Journal（doi: 10.1038/s41396-020-0621-7），该项成果的第一作者为刘吉文副教授，通讯作者为张晓华教授。

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图1 氨氧化古菌系统进化关系及马里亚纳海沟不同深度水体的氨氧化古菌类群组成

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信息来源：中国海洋大学 海洋生命学院刘吉文

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《物理海洋学导论》南京信息工程大学董昌明教授主编

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