深渊微生物介导的氮循环及其受压力调控机制

The hadal nitrogen cycle is an important part of the deep sea elemental cycle and the basis for the origin and evolution of the hadal ecosystem. However, there is still a lack of research on key scientific issues such as the nitrogen balance of the trenches, the scale and regulation mechanisms of the microbial nitrogen cycle. According to the previous work, the applicant proposed the scientific hypothesis: the high pressure environment of the hadal causes oxygen stress on the cells, stimulates the denitrification process, and regulates the microbial nitrogen metabolism, which is the key factor causing the loss of nitrogen in the hadal zones. In this project, we will specifically enrich and isolate the nitrogen-metabolizing functional groups and key species through high-pressure reactor technology; detect the nitrogen metabolism capacity of hadal microorganisms at the community level and pure culture level by isotopically labeled feeding experiments, to assess the scale of hadal microbial nitrogen cycle; analyze the relationship between nitrogen metabolism genes, antioxidant genes, and high-pressure at the genome and transcriptome levels, and reveal the biological basis of high-pressure stimulation of denitrification pathway. This research will be the first attempt to study the relationship between microbial pressure adaptation and elemental cycling in high pressure environments such as hadal trenches and deep biosphere.

深渊氮循环是深海元素循环的重要环节，也是深渊生态系统起源和演化的基础。然而，深渊的氮平衡，微生物氮循环的规模与调控机制等关键科学问题尚缺乏研究。根据前期的工作，申请者提出科学假说：深渊的高压环境对细胞造成氧胁迫，刺激反硝化过程，调控微生物氮代谢，这是造成深渊氮流失的关键因素。在本申请项目中，我们将通过高压反应器技术特异性富集和分离深渊来源的氮代谢功能类群和关键物种；通过同位素标记喂养实验，在群落水平和纯培养水平检测深渊微生物的氮代谢能力，评估深渊微生物氮循环的规模；在基因组和转录组水平分析氮代谢基因、抗氧化基因、压力三者之间的关系，揭示高压刺激反硝化途径的生物学基础。这一研究将是研究深渊、深部生物圈等高压环境下微生物群体压力适应与元素循环关系的首次尝试。

项目组聚焦项目申请书和计划书中拟解决的关键科学问题开展研究，取得以下主要成果：.a) 自主研发了《沉积物RNA固定取样器》可在采集现场固定沉积物中的原位微生物RNA信息，避免在样品转移到甲板的过程信息改变。对比传统取样方式，大约25%的物种、基因只在原位固定的样本中发现。设计了古菌特异性引物和细菌特异性引物。与通用引物相比，在30个马里亚纳海沟沉积物中，有46个科水平的细菌仅可被新设计的引物检测到；有8个科水平的古菌仅可被新设计的引物检测到。上述技术研发为进一步探索深渊沉积物生态系统中独特的微生物多样性和生态功能提供新手段。.c) 从马里亚纳海沟的深渊区和非深渊区沉积物中分离出41株真菌可在20MPa下生长，3株可在60MPa的压力生长。表明存在耐压真菌在深渊生态系统中发挥生态功能。这些菌种的分离也为项目的后续开展提供宝贵的生物材料。.d) 通过环境基因组分析，揭示了77个海沟沉积物中亚硝酸盐氧化细菌（NOB）的全球分布模式，发现了5个新的NOB分支，包括新的门（命名为Ca. Nitrospilota）。基因组分析揭示Ca. Nitrospilota的异养生活方式与所有发现的其他NOB不同。以马里亚纳海沟沉积物保压保存样品为培养物，代谢活性检测与宏转录组分析共同确认，即使在有氧气存在下仍具有明显硝酸盐还原活性，这与传统认知有悖。这些结果都指示深渊的硝酸盐的生成与转化被低估。高压更有利于硝酸盐向氮气的转化，导致氮流失。.e) 分离出耐压菌株Pseudomonas 2-3和Halomonas titanicae ANRCS81并证实了高压对其细胞生长及氮代谢的调控符合“共适应理论”，在高压与温度、盐度、氧化还原度等多重环境因子作用下，深海生命演化形成了通用策略以应对环境胁迫，其核心是调控能量分配和抗氧化。这一工作揭示了高压对微生物氮代谢的调控机制。