南太平洋环流区洋底沉积物及海水的微生物群落演化及功能活性研究

The South Pacific Gyre is the largest of the ocean gyres. The subseafloor sediment of this region has the lowest organic burial rates in the ocean, and dissolved oxygen is present throughout the entire sediment sequence. The seafloor of the South Pacific Gyre has been drilled by Integrated Ocean Drilling Program (IODP) Expedition 329 for the first time, and the applicant of this project attended this expedition as a microbiologist and obtained precious samples of the expedition. In this project, the abundance and community composition of archaea and bacteria in the subseafloor sediment of the South Pacific Gyre will be determined by real-time PCR and 16S rDNA sequencing, and their correlation with the seafloor crust age and the oceanographic properties will be analyzed. The functional gene diversity and metabolic potential of microbial communities in the subseafloor sediment will be investigated by the GeoChip functional gene microarray and the metagenomic sequencing. The microbial community compositions and functional activities in the surface and bottom seawater of the South Pacific Gyre will be documented, and their response to the variation of oceanographic factors (such as surface ocean productivity) will be analyzed. Activities of novel functional genes obtained from metagenomic sequencing and new bacterial species will be studied, and novel metabolic pathways will be investigated. Based on above studies, the microbial community evolution and functional activity of the subseafloor sediment and seawater in the South Pacific Gyre will be acknowledged, and the effect of microbial activity in the most organic poor sediment of the world ocean upon the global biogeochemical cycle will be uncovered.

南太平洋环流区是全球最大的大洋环流区，在全球大洋中其有机质沉积速率最低，且全部沉积层均有氧气穿透。综合大洋钻探计划（IODP）329航次对南太平洋环流区洋底进行了首次钻探，项目申请人以微生物学家的身份参加了该航次并获得了航次样品。本项目拟利用荧光定量PCR及16S rDNA测序等技术检测环流区洋底沉积物中古菌和细菌的丰度、群落结构及与洋壳年龄和地质环境的相关性；采用GeoChip环境功能基因芯片和宏基因组测序等技术分析沉积物中微生物的功能基因及代谢潜能；分析环流区表层及底层海水中微生物的群落结构及功能活性，阐明其对海洋学因素（如表层海洋生产力）变化的应答；对从宏基因组测序及海洋新菌基因组测序中获得的新型功能基因，研究其功能活性并分析微生物的新代谢通路。通过以上研究认识南太平洋环流区洋底沉积物及海水中微生物群落演化及功能活性，进而揭示低沉积速率大洋洋底微生物活动对全球生物地球化学循环的影响。

南太平洋环流区是全球最典型的寡营养洋区，其表层海水是世界上最干净的水体，在全球大洋中其有机质沉积速率最低，是探索微生物群落演化、获取特殊微生物类群及研究微生物环境适应性的理想场所。综合大洋钻探计划（IODP）329航次对南太平洋环流区洋底进行了首次钻探，项目主持人以微生物学家的身份参加了该航次并获得了航次样品。本项目中，我们首先对洋底沉积物微生物的群落演化进行了研究，发现浅层和深层样品具有完全不同的群落结构，细菌在门水平有6个新的分支，说明南太平洋环流区洋底沉积物有非常特殊的微生物类群，并发现古菌丰度较细菌更低，溶解无机碳是解释微生物群落变化的主导因素。其次，我们的研究发现，南太平洋环流区表层海水微生物的丰度和群落结构沿极端寡营养的环流中心到环流外缘均存在明显的演变，营养盐尤其是氮盐是影响细菌和古菌群落结构改变的重要因素。再次，对水体和沉积物的可培养细菌多样性及代谢活性的研究结果表明，深部沉积物中革兰氏阳性菌（放线菌门和厚壁菌门）占绝对优势，而水体中的优势菌为γ-变形菌纲及拟杆菌门细菌；这些细菌对所测试的11种大分子有机物均有降解能力，并通过异源表达从一株沉积物新菌中获得了一种新的耐碱低温高活力的α-淀粉酶LaaA。此外，我们出乎意外地发现南太平洋环流区（尤其是表层海水）具有大量的新菌资源，已发表16个海洋细菌新物种，涵盖拟杆菌门、变形菌门（-和-变形菌纲）、放线菌门和厚壁菌门。最后，我们研究了分离自深层沉积物和表层海水中典型新菌的环境适应机制及其生物地球化学功能，发现深海新菌—深渊藤黄单胞菌XH031T在低温下可降解多种大分子有机物，且全基因组分析发现该细菌具有大量复杂的调控和转运系统以适应深海复杂的沉积环境；发现表层海水新菌—狭长海水菌SW024T的细胞长度较长、能滑动、易附着、能降解多种大分子有机物、基因组较大并具有各种各样的转运蛋白等特性，使其在寡营养环境中有效得获取营养物质。总之，我们的研究发现南太平洋环流区表层海水及洋底沉积物均具有独特的微生物类群，它们以不同的方式适应其寡营养及其他恶劣的环境条件；我们获取的海洋细菌新物种，不仅是新型活性物质的源泉，也为探讨地球生命起源与物种演化规律提供了新的资料。