深海热液环境下甲烷代谢古菌功能群的演化、互作及其群落稳定性研究

Microbial functional groups are the keys to study the interactions between microbes and environment, as possessed with different responses to environmental catastrophe on different spatial and temporal scales. Deep-sea hydrothermal vents are characterized with dramatic changes of environmental parameters in time and space, and with high methane metabolizing activities. therefore, are ideal for understanding the interactions between different microbial functional groups as well as interactions between microbes and the environment. In this study, 29 microbial communities from two deep-sea environment, surface sediments and chimneys from deep-sea hydrothermal vents, are investigated respectively. We will mainly focus on the archaea functional groups involved in methane metabolizing. Approaches of environmental metagenomes, single isolates genomes and key phylogenomic marker genes are utilized: to determine the eco-types and evolution processes of these functional groups; to predict interactions among microbes, key intermediates within carbon cycle and the dynamics and stability of microbial community; to evaluate the relationship between microbial community and environment. Through this study, which will shed some light on the interactive relationship between methane metabolizing groups and the environment. Through this research, a preliminary model on deep-sea microbial community-environment interaction and evolution will be established, to shed some light on understanding biogeochemical processes that functional groups from typical deep-sea environment had involved in.

微生物功能群在不同的时空尺度上对环境变化做出不同的反应，参与一系列地质过程，是研究微生物与环境互作的关键。深海热液系统的环境参数在时间和空间上都有剧烈的变化梯度，且甲烷代谢活跃，是研究微生物功能群与环境互作的理想系统和材料。在本项目中，我们将以来自两个深海环境，即深海热液表层沉积物和深海热液烟囱体的共29个微生物群落样本作为研究材料，以甲烷代谢古菌功能群为核心研究对象，关注甲烷代谢代谢功能群与环境和其他功能群的互作关系和动态演化。从微生物群落的环境基因组、可培养功能群的比较基因组、重要功能基因和元件的系统发育分析这三个层面上，确定主要功能群的类型和演化过程，预测功能群间的互作、C代谢重要中间物和生态系统的稳定性，与地质环境的作用关系。通过此研究，建立深海微生物群落-环境互作、演化的初级动态模型，为理解典型深海微生物功能群的生物地球化学过程提供科学基础。

深海热液烟囱体喷口周围栖息着大量的化能自养微生物群落，作为初级生产者，它们不仅是整个热液生态系统存在和发展的基础，同时也在深海热液区域碳、氮、硫等地球化学元素的循环中发挥着重要的作用。此外，深海热液喷口的地热环境类似于生命起源时期的原始地球，因此栖息在这里的极端微生物也是人们探究生命起源以及演化进程的绝佳对象。在本研究中，我们基于宏基因组学方法分析了两个处于不同喷发状态的深海烟囱样本中的微生物群落，两个黑烟囱样品都采集于东太平洋9°N洋中脊热液区域，其中来自L-vent的烟囱体正进行活跃地热液喷发活动，而来自M-vent的烟囱体则处于非活跃状态。基于全长16S rRNA基因的分类学结果显示，化能自养型Epsilonbacteraeota和Aquificae门是L-vent烟囱体中占据主导地位的微生物类群，而M-vent中的微生物群落则具有相对更高的物种多样性，主要由Gamma-，Delta- and Alphaproteobacteria，Nitrospira和Bacteroidetes组成。此外，我们还基于Binning的方法从L-vent宏基因组中重新构建了4个Epsilonbacteraeota和2 个原属于Thermotogae EM3的高质量基因组，其中Epsilonbacteraeota具有利用还原硫和氢气作为能源化能自养类型的代谢潜能，同时也具有强大的多聚物运输和分泌系统；而可靠的系统发育分析证据表明EM3类群完全独立于之前所归类的Thermotogae，且单独为一支门水平细菌分类单元。基因组显示EM3类群可能为有机异养细菌，具有降解碳水化合物和胞外蛋白质的代谢潜能，同时也具有丰富的与微生物膜形成相关的糖苷转移酶以及多套分泌系统。综上所述，本研究解析了两个来自不同喷发状态热液烟囱体的微生物群落结构，重构出活跃烟囱体微生物群落中的主要物种Epsilonbacteraeota的多个未培养基因组并进行了代谢分析，发现并证明了Thermotogae EM3属于一支独立的门水平细菌类群，揭示了它们主要的代谢通路和特点。本研究工作不仅有助于我们进一步理解热液烟囱体微生物群落的结构组成及其随热液喷发活动的演替过程，还对拓展了我们对深部生命的认识，理解它们在原位环境中所发挥的生态功能以及进一步探究地球生命起源以及演化历程有着十分重要的意义。