基于生态基因组学探讨深海多金属结核与钴结核形成机制

Polymetallic nodule and cobalt nodule are the important deep-sea mineral resources, which are concerned by many countries. In the past years, people did not know enough about the microorganism distribution and function in the deep-sea nodules because of the limitation in the sample collection and research technology. Recently, our group collected the deep-sea nodule samples, established the deep-sea microorganism research technique platform, and performed ecogenomics research on the nodules and their surrounding sediments. Based on the above studies, our research focuses on biodiversity and ecologic function of microorganisms, which habit in the deep-sea nodules and their surrounding sediments. Three aspects of research content will be carried out. Firstly, the microorganism diversity in the deep-sea nodules will be analyzed by molecular methods. This work will ascertain the dominant microorganisms and provide the cytological evidence of deep-sea nodule formation. Secondly, the metallogenic gene cluster and metabolism genomics will be analyzed preliminarily. This work will make clear the function of dominant metallogenic microorganisms and reveal a possible molecular mechanism of deep-sea nodule formation. Last but not least, the dominant metallogenic microorganisms will be isolated and the relationship between environment elements and microorganisms will be discuessed. In generally, this proposal will help to reveal bioactivity characteristics, regulation mechanism, as well as metallogenic mechanism of microorganisms in the deep-sea environments, deepen the understanding of microorganism function within the deep-sea ecological system, and promote the establishment of a new model on the deep-sea nodule formation.

深海多金属结核和钴结核是具有重要战略价值的海底金属矿产资源。以往受样品采集和研究技术手段限制，对结核内部成矿微生物种类和功能了解甚少。项目在已采集深海结核样品、具备深海微生物学研究技术平台、开展结核及其周围沉积物生态基因组学研究基础之上，拟采用分子生态学技术方法分析深海结核内微生物多样性- - 进而确定优势微生物种类，为结核生物成因提供细胞学证据；从生态基因组学角度初步解析深海结核成矿基因簇与代谢基因组类型- - 进而确定优势成矿微生物功能，分析结核形成可能的分子机制；分离若干成矿优势微生物，揭示各成矿要素与微生物间的内在联系- - 进而探讨深海结核形成过程中的相关分子机制。项目实施，有助于探知深海特殊矿藏环境与微生物复杂体系中的生命活动特征、调控机理和成矿机制，深化微生物在深海生态系统中作用的认识，促进深海结核成矿分子机制建立，可为海底资源勘查与开发提供科学依据。

深海多金属结核和钴结核是具有重要战略价值的海底金属矿产资源。以往对结核内部成矿微生物种类和功能了解甚少。项目分析了28份深海结核样品内微生物多样性，明确了结核内优势微生物类群并比较了结核内外微生物群落结构差异；基于两个生态基因组解析了深海结核成矿基因簇与代谢基因组类型；通过多种微生物分离培养方法和技术，分离培养了结核内及周围沉积物环境中的微生物，共776株分属67个属，重点开展具有重金属耐受与氧化还原功能的三株代表性细菌生理生化特征及基因组分析，初步探讨了深海结核形成的分子机制。研究结果表明，由于环境相对封闭，结核内微生物已与其周围沉积物中的微生物在群落结构发生了明显分化；一些隶属根瘤目、土壤红杆菌目和"Entotheonellales"未培养细菌的丰度与锰和钴元素含量具有较高相关性，暗示了这些未培养微生物可能与金属成矿活动相关；深海矿区微生物宏基因组中含有大量重金属氧化还原及耐受相关基因，特别是与金属成矿相关的Delftia属微生物基因在其中所占比例高，进一步为后续分离培养金属成矿相关微生物指明了方向；深海矿区来源的代表性菌株基因组中含有一系列重金属氧化还原功能相关基因，包括多铜氧化酶、亚铁氧化酶和汞还原酶等基因，其编码蛋白可能参与了深海金属氧化还原过程及海底金属成矿过程。此外，综合历史资料和研究结果，项目提出了层化结构、球状结构和极性脂吸附颗粒物的结核生物成因假说。通过项目研究，初步探知了深海特殊矿藏环境与微生物复杂体系中的生命活动特征和成矿机制，深化了部分微生物在深海生态系统中作用的认识。项目预期发表SCI论文5篇以上，实际发表标注论文19篇，其中SCI论文17篇；在项目执行期间，主持人入选中组部“万人计划”青年拔尖人才，并获得浙江省杰出青年基金资助，项目组成员两人晋升为副研究员。