深淵微生物團隊在深淵細菌代謝及環境适應機制方面取得重要進展

    近日，伟德BETVLCTOR方家松團隊基于來自世界最深海溝（挑戰者深淵）的新型綠彎菌基因組分析，在細菌适應深海環境的代謝策略方面取得重大進展。相關研究成果已在微生物學頂級期刊Microbiome（影響因子14.65）發表。我校海洋科學學院劉如龍副研究員為論文第一作者，劉如龍副研究員和方家松教授為共同通訊作者。

    深海是海洋的主體，蘊藏着地球上大部分的微生物生物量，是海洋生物圈中有機物再礦化和長期儲存的關鍵場所。深海微生物是海洋有機碳再礦化等生物地球化學循環過程的主要驅動者，然而其生存和代謝極大地受控于總體上貧營養但周期性波動的深海有機質狀況。目前國内外對微生物如何适應深海的這一複雜多變的有機質狀況還不明晰。

圖1 綠彎菌MAG的基因組功能注釋。其中橘黃色背景框表示核心代謝通路，黃色背景框表示降解各類惰性有機物的代謝通路，淺藍色背景表示降解含硫有機物的代謝通路。黑色箭頭表示物質代謝的通路走向以及不同代謝通路間的聯系。

    該研究首次深入分析深淵海溝沉積物中的主導細菌類群，同時也是全球深海中主導類群綠彎菌的代謝潛力。從馬裡亞納海溝沉積物的9個宏基因組數據集中重建了62個綠彎菌的宏基因組組裝基因組（MAG）。這些MAG代表了厭氧繩菌綱和脫鹵球菌綱中的六個新物種、四個新屬、一個新科和一個新目。研究表明這些MAG在深海海水和表層沉積物中廣泛分布，且具有原位活性，說明其具有潛在的海洋生态重要性。對這些新型綠彎菌代謝功能的深入挖掘發現，該類細菌主要營異養生活方式，具有非常寬的代謝底物譜。它們除了具有降解多種高活性有機物（如簡單糖類，氨基酸等）的能力之外，還可以代謝多種難降解的碳、硫和鹵化化合物等有機物。研究結果首次揭示了深淵綠彎菌具有完整的對多種惰性有機物的水解或氧化降解途徑，包括芳香族化合物（如苯甲酸酯）、多環芳烴（例如芴）、多氯聯苯（如4-氯聯苯）和有機氯農藥（如氯代烷烴、氯環己烷）等。此外，這些生物顯示出合成儲能化合物（如海藻糖）的潛力，并具有調節模塊以響應營養條件的變化。基于這些代謝特征，研究團隊提出綠彎菌可能遵循“盛宴和饑荒”（feast and famine）代謝策略：即在有機質含量豐富時可優先消耗活性有機質并将多餘能量儲存在胞内，而在有機質貧乏的情況下則通過利用儲存的能量和降解惰性有機質而維持生存。

圖2 研究團隊基于代謝潛力分析所提出的“豐盛-饑餓”代謝策略

    該研究擴展了對深海綠彎菌代謝過程的認識，強調了其在深海碳、硫和鹵素循環中的重要性。綠彎菌代謝潛力的高度可塑性可能為其在深海多變而異質的有機質條件下的生存提供了優勢。

論文信息：

Liu R., Wei X., Song W., Wang L., Cao J., Wu J., Thomas T., Jin T., Wang Z., Wei W., Wei Y., Zhai H., Yao C., Shen Z., Du J.,Fang, J. (2022). Novel Chloroflexi genomes from the deepest ocean reveal metabolic strategies for the adaptation to deep-sea habitats. Microbiome, DOI: 10.1186/s40168-022-01263-6