实验海洋生物学重点实验室知识库

生物地球化学循环是地球系统科学的核心研究方向之一。对碳、氮、磷、硫及重金属等元素在地球圈层中的循环过程进行描述、示踪和预测是生物地球化学循环研究的重要内容。在地球各种生命形式中，微生物因其类型多样、分布广泛、物质代谢方式丰富，在元素生物地球化学循环中发挥关键的驱动作用。揭示微生物遗传和代谢多样性、关键元素的生物地球化学循环过程、耦合机理与驱动方式，有助于阐明微生物在地球重要元素的生物地球化学循环中的驱动机制。
深海微生物（细菌、古菌和真核微生物等）具有丰富的遗传与代谢多样性，但由于采样和培养条件的限制，迄今为止99%以上的深海微生物尚未建立起可培养技术，对深海微生物尤其是难培养微生物在地球化学元素循环中的基础性作用仍知之甚少。因此，获得不同深海环境（如深渊、热液、冷泉、海山等）微生物纯培养并揭示其介导的物质代谢途径驱动元素循环的机制，有助于阐明深海微生物对海洋乃至整个地球范围元素循环的贡献，并实现对深海微生物资源的深度挖掘。
本研究利用“科学号”考察船2017年和2018年在深海冷泉和热液两种生境作业期间获得的沉积物样品，基于物质代谢驱动的分离策略突破了多个深海难培养微生物的培养技术瓶颈。最终成功地从深海沉积物中纯培养了30个潜在新菌，分属于绿弯菌门（Chloroflexi）、浮霉菌门（Planctomycetes）、软壁菌门（Tenericutes）、拟杆菌门（Bacteroidetes）、厚壁菌门（Firmicutes）、变形菌门（Proteobacteria）和螺旋体门（Spirochaetes）7个门，显示了很好的生物多样性。根据16S rRNA基因序列的相似度将其分类地位暂定为4个新纲、1个新目、6个新科、9个新属和8个新种。我们选择其中4个代表性菌株（软壁菌、绿弯菌、拟杆菌和硫酸盐还原菌）进行了深入的研究，并揭示了它们介导的物质代谢途径驱动元素（磷元素、硫元素、碳元素及重金属元素）循环的机制。
软壁菌门细菌是一类没有细胞壁、基因组很小的类群，在环境适应机制和进化上具有特殊的研究价值，但绝大部分类群都没有获得纯培养。前期的宏基因组研究结果显示该类群具有潜在降解核酸获得能量的代谢潜能。基于此，我们利用在基本培养基中添加大肠杆菌基因组DNA的新颖手段富集并纯培养了7个软壁菌，其中有4个为潜在新纲。选中其中一株属于Izemoplasma纲的软壁菌Xianfuyuplasma coldseepsis zrk13进行了深入研究，基于转录组学手段揭示了其代谢有机物和硫代硫酸钠进行能量转换的机制；基于生物化学等手段证实了其降解DNA的突出能力，并借助“科学号”科考船的先进装置进行了深海原位实验，验证了该菌在自然生境中也具有降解DNA参与能量合成的独特生命过程，对于深海生境磷、碳、氮等生命元素的生物地球化学循环进程及物质循环等具有重要的驱动作用。
绿弯菌门细菌在深海环境中的分布较为广泛，然而由于培养条件的限制，能够分离纯培养的绿弯菌非常少。基于前期报道的绿弯菌可以耐受很多抗生素，我们利用基础培养基添加利福平和含硫无机化合物的分离策略，成功地从深海冷泉沉积物中分离出两株新的绿弯菌，选择其中一株绿弯菌Sulfochloroflexus methaneseepsis ZRK33（潜在新目）进行了深入研究。首先，基于深海沉积物的16S rRNA基因测序，阐明了绿弯菌在深海沉积物中占据较高的丰度；基于16S rRNA基因序列的相似度和基因组的系统发育分析，表明菌株ZRK33是绿弯菌门中的一个新目的代表菌，属于新科（Sulfochloroflexaceae），新目（Sulfochloroflexales）；基于基因组分析和生物化学等手段，揭示了菌株ZRK33可以进行同化硫酸盐还原途径，并且高浓度的硫酸盐和硫代硫酸盐可以显著促进菌株ZRK33的生长和形态变化；基于蛋白质组学结果，揭示了硫酸盐或硫代硫酸盐可以显著促进菌株ZRK33对大分子碳水化合物的运输和降解，进而产生能量促进生长；进一步宏基因组分析，同化和异化硫酸盐还原相关的关键基因广泛分布深海绿弯菌基因组中，表明绿弯菌对深海硫元素的生物地球化学循环具有重要的驱动作用。
拟杆菌被认为是海洋多糖的有效降解者，也是海洋碳循环的主要贡献者。然而，与对肠道拟杆菌降解多糖机制的大量研究相比，对海洋拟杆菌（尤其是深海拟杆菌）降解多糖的研究非常少，主要是因为缺少深海拟杆菌的纯培养物。我们利用基础培养基添加不同多糖的分离策略，成功地从深海冷泉沉积物中分离出四株新的拟杆菌，选择其中一株拟杆菌Maribellus comscasis WC007（潜在新种）进行了深入研究。基于扩增子测序和宏基因组测序分析表明拟杆菌是深海表层沉积物中的优势群落之一，而且比其他细菌拥有更多编码负责多糖降解的碳水化合物酶的基因。基于基因组分析，发现菌株WC007具有82个多糖利用位点（PULs），包含634个碳水化合物酶（CAZymes）和82对通道形成转运蛋白（SusC）/底物结合蛋白（SusD）以及58对σ-70因子/抗σ因子；基于生长实验和转录组学分析，证实菌株WC007可以降解和利用不同的多糖（纤维素、果胶、岩藻聚糖、甘露聚糖、木聚糖和淀粉）；基于转录组学和代谢组学联合分析，揭示了菌株WC007对纤维素降解和利用的潜在机制。我们的研究结果揭示了深海拟杆菌的高丰度和显著降解多糖的潜力，及其介导的多糖物质代谢途径驱碳元素循环的机制。
    硫酸盐还原菌（SRB）广泛地存在于自然界中，但是由于采样难度大和培养条件的限制，深海来源的硫酸盐还原菌比较少。我们利用基础培养基添加硫酸根离子和重金属离子的分离策略，成功地从深海冷泉沉积物中分离出两株新的硫酸盐还原菌，选择其中一株硫酸盐还原菌Pseudodesulfovibrio cashew SRB007（潜在新种）进行了深入研究。基于基因组学和生物化学等手段揭示了菌株SRB007可以通过还原硫酸盐生成硫离子，进而同环境中的镉、钴、汞等重金属离子形成不溶性矿物质，在去除重金属胁迫的同时还驱动了深海硫元素及重金属元素的生物地球化学循环。
综上所述，我们基于物质代谢驱动的分离策略突破了多个深海难培养微生物的培养技术瓶颈，从深海沉积物中分离获得了很多难培养微生物，揭示了深海微生物物质代谢与关键元素生物地球化学循环过程的耦合关系，有助于阐明微生物对地球重要元素（碳、氮、硫、磷及重金属等）生物地球化学循环的驱动机制。为突破深海难培养微生物的培养瓶颈及深入了解深海稀有微生物类群的环境适应机制提供了重要理论依据，拓展了对深海微生物特殊生命过程的认知。