在陽(yáng)光無(wú)法抵達(dá)的千米深海，生命是如何生存和演化的？那里的微生物是在一成不變地“躺平”，還是在積極地應(yīng)對(duì)環(huán)境變化？一項(xiàng)最新的研究表明，在深海里的“土著”微生物，也會(huì)根據(jù)季節(jié)來(lái)調(diào)整自己的“生活模式”。
近日，來(lái)自清華大學(xué)深圳國(guó)際研究生院教授王勇團(tuán)隊(duì)，利用自主研發(fā)的深海原位核酸采集系統(tǒng)，對(duì)南海1000米水深的微生物群落進(jìn)行環(huán)境基因組和轉(zhuǎn)錄組學(xué)分析，發(fā)現(xiàn)了一群穩(wěn)定的、代謝活躍的“土著”微生物類(lèi)群，它們會(huì)根據(jù)季節(jié)調(diào)整代謝策略以響應(yīng)環(huán)境變化。相關(guān)研究成果發(fā)表于《國(guó)際微生物生態(tài)學(xué)學(xué)會(huì)期刊》。
該研究不僅揭示了深海存在季節(jié)穩(wěn)定的活性微生物核心群體，也揭示了它們?cè)诨虮磉_(dá)層面具有明顯的季節(jié)性代謝分工，對(duì)于深入認(rèn)識(shí)深海碳循環(huán)和微生物生態(tài)功能具有重要價(jià)值。
在千米深海里提取“活信息”
在陽(yáng)光無(wú)法穿透的千米之下，高壓、低溫和黑暗構(gòu)成了極端環(huán)境。然而，深海之下的微生物豐富多樣，數(shù)量龐大，理解它們?cè)跇O端環(huán)境中的生存和演化，對(duì)對(duì)揭示生命適應(yīng)機(jī)制、理解全球碳循環(huán)具有重要意義。
以往科研人員對(duì)深海微生物的認(rèn)知，大多基于從海底采集水樣，再返回海面實(shí)驗(yàn)室，對(duì)微生物的DNA和RNA等核酸信息進(jìn)行分析。然而，樣品從深海在到達(dá)海面的過(guò)程中，溫度從原本的低溫升高至常溫，壓力由上百個(gè)大氣壓降至常溫，這種劇變會(huì)導(dǎo)致原本活躍的微生物DNA分子出現(xiàn)降解、失活、甚至死亡。此外，從海洋表層降落的顆粒物會(huì)攜帶各種失活和死亡的微生物，會(huì)與真正活躍的“土著”微生物混合在一起，導(dǎo)致研究分析產(chǎn)生數(shù)據(jù)偏差。
那么，能不能直接在深海采樣、做實(shí)驗(yàn)？如何確?！巴林蔽⑸锏暮怂嵝畔ⅰ霸丁?？帶著這些疑問(wèn)，2017年，王勇團(tuán)隊(duì)開(kāi)始攻關(guān)深海原位核酸采集系統(tǒng)，并開(kāi)發(fā)出了多通道原位核酸采集系統(tǒng)（MISNAC）。研究團(tuán)隊(duì)將該MISNAC部署在南海西北部約1000米深處，于冬季和夏季分別進(jìn)行原位采樣。
MISNAC被搭載在深海著陸器上，下潛到海底后，該設(shè)備能夠在預(yù)先設(shè)定的時(shí)間內(nèi)過(guò)濾海水，在過(guò)濾的過(guò)程中，微生物被留在膜上。過(guò)濾完成后，設(shè)備會(huì)根據(jù)預(yù)先的設(shè)定在海底直接注入裂解液，把微生物“融化”后提取出DNA和RNA，保存在特制的硅膠顆粒上。
待設(shè)備回到船上時(shí)，科研人員拿到便是經(jīng)過(guò)初步處理后的原位DNA和RNA核酸樣品，經(jīng)過(guò)基因測(cè)序和數(shù)據(jù)分析后，便能真實(shí)展現(xiàn)深海微生物的組成成分與活性：一個(gè)微生物若在RNA和DNA樣本中均被識(shí)別到，則表明它是活躍的；若僅存在于DNA樣本中，則表明它已失活或死亡。
“我們經(jīng)歷了多輪海試和優(yōu)化，不斷優(yōu)化海水壓力對(duì)設(shè)備材料的考驗(yàn)，同時(shí)對(duì)比了不同酒精和細(xì)胞裂解物的比例，以及核酸吸附顆粒，確保在深海中將微生物核酸能夠完好地保存下來(lái)?！闭撐耐ㄓ嵶髡咄跤抡f(shuō)道。
“土著”微生物很穩(wěn)定，“工作模式”分季節(jié)
基于采集的樣本數(shù)據(jù)，研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，盡管不同季節(jié)海水中的微生物種群數(shù)量和豐度的變化很大，但真正在海水中活躍的微生物群落非常穩(wěn)定，這或許是維持深海生態(tài)系統(tǒng)功能韌性的重要基礎(chǔ)。
這群深?！巴林蔽⑸镏饕ǎ喊毖趸啪?、SAR324 簇細(xì)菌、海洋螺菌目和波塞冬菌目等。有趣的是，這群“土著”不僅穩(wěn)定，“工作模式”還有著鮮明的季節(jié)性。
“比如，在夏天，從海面上掉落下來(lái)的‘食物’多了，這些微生物就懶了，直接‘吃現(xiàn)成的’，直接降解顆粒有機(jī)碳獲取能量。而在冬天，海面上掉下來(lái)的‘食物’少了，這些微生物就只好‘自己動(dòng)手’了。例如，氨氧化古菌會(huì)吸收水中溶解的氨氣，進(jìn)行氧化反應(yīng)，然后利用二氧化碳合成有機(jī)質(zhì)和儲(chǔ)備能量，與陸地的植物光合作用類(lèi)似，實(shí)現(xiàn)自給自足?！蓖跤陆榻B，研究結(jié)果表明，深海微生物通過(guò)代謝策略的季節(jié)性切換來(lái)響應(yīng)表層生態(tài)過(guò)程的“遠(yuǎn)程調(diào)控”。
值得注意的是，研究人員還發(fā)現(xiàn)，纖毛蟲(chóng)是深海里最活躍的原生生物，而非傳統(tǒng)認(rèn)為的有孔蟲(chóng)。纖毛蟲(chóng)作為深海中主要的初級(jí)消費(fèi)者，在能量傳遞中扮演了關(guān)鍵角色。這一發(fā)現(xiàn)凸顯了當(dāng)前科學(xué)屆對(duì)單細(xì)胞纖毛蟲(chóng)的理解仍然有限，人們對(duì)深海生態(tài)系統(tǒng)的構(gòu)成和能量傳遞的認(rèn)識(shí)還有巨大空間。
“以解決真問(wèn)題為導(dǎo)向的深海研究，需要科學(xué)與工程相結(jié)合，創(chuàng)造新的研究范式和標(biāo)準(zhǔn)?！蓖跤聫?qiáng)調(diào)，目前研究團(tuán)隊(duì)正在開(kāi)發(fā)新的深海核酸提取和基因檢測(cè)傳感器，目標(biāo)實(shí)現(xiàn)三個(gè)月以上的連續(xù)監(jiān)測(cè)，為深海資源開(kāi)發(fā)中的生態(tài)環(huán)境評(píng)估提供可靠方案。
相關(guān)論文信息：https://doi.org/10.1093/ismejo/wraf214
編輯：李華山
