研究發現深海微生物新物種并揭示其元素循環驅動機制

　　生物地球化學循環是地球系統科學的核心研究方向之一，對碳、氮、磷、硫及重金屬等元素在地球圈層中的循環過程進行描述、示蹤和預測是生物地球化學循環研究的重要內容。在地球各種生命形式中，微生物因其類型多樣、分布廣泛、物質代謝方式豐富，在元素生物地球化學循環中發揮著關鍵的驅動作用。深海微生物具有豐富的遺傳與代謝多樣性，但由于采樣和培養條件的限制，目前對深海微生物在地球化學元素循環中的基礎性作用知之甚少。因此，揭示不同深海環境（如深淵、熱液、冷泉等）微生物驅動元素循環的機制，有助于闡明深海微生物對海洋乃至整個地球范圍元素循環的貢獻。

　　為了解深海微生物驅動元素循環的機制，中國科學院海洋研究所實驗海洋生物學重點實驗室研究員孫超岷研究團隊針對熱液、冷泉及深淵三種典型深海生境的微生物，結合宏基因組測序、微生物純培養及各種組學技術系統揭示出三類深海典型微生物驅動碳、氮、磷、硫及鎘等元素循環的機制，同時發現并命名了一類古菌新門及一類典型硫酸鹽還原細菌新種。該研究為深海微生物新物種的發現及其驅動的元素循環機制研究提供了理論依據和新范例。

　　在對深海熱液沉積物樣品進行宏基因組測序分析后發現，一類叫做DPANN的古菌豐度非常高。基于宏基因組序列組裝信息發現所研究熱液口包括5個已知門類的DPANN古菌，還包括一個新門類，為致謝“科學”號科考船，特將該新門古菌命名為“Kexuearchaeota”，即“科學門”。進一步分析發現，DPANN古菌盡管基因組非常小，但仍然保留了同化氮、硫等元素的能力，還能利用環境中的核酸和氨基酸用于代謝，進而促進氮、磷等元素的循環。在對冷泉樣品進行微生物分離培養的時候，獲得一株典型的硫酸鹽還原細菌新種，命名為Pseudodesulfovibrio cashew。該新種能通過還原硫酸鹽生成硫離子，進而同環境中的鎘、鈷等重金屬離子形成不溶性礦物質，在去除重金屬脅迫的同時有效促進了環境中硫及各種重金屬的元素循環。在對一株深淵（馬里亞納海溝）假單胞細菌研究中發現，該菌能通過代謝半胱氨酸形成硫化氫進而和環境中的鎘離子形成硫化鎘納米顆粒，既增強了耐受鎘離子的能力，又促進了環境中硫和鎘的元素循環進程。總之，各種不同生境的深海微生物均進化出不同驅動元素循環的機制，針對這些機制的進一步研究將有助于深入了解微生物物質代謝和元素循環之間的關系。

　　相關研究成果分別發表在Applied Environmental Microbiology、Microorganisms及Environmental Microbiology Reports上，論文第一作者分別為海洋所實驗海洋生物學重點實驗室博士研究生蔡瑞寧、鄭日寬和馬寧，通訊作者為孫超岷。研究得到中國大洋礦產資源研究開發協會“深海生物資源計劃”和中科院戰略性先導科技專項等的聯合資助。

深海熱液DPANN古菌物質代謝和元素循環模式圖

深海冷泉硫酸鹽還原細菌硫代謝及硫化重金屬礦物質形成模式圖

深淵假單胞細菌物質代謝及硫化鎘礦物質形成模式圖