深海微生物压力耐受极限的研究

With the current development of sampling technology, more and more samples were collected from hadal zone which is at the water depth between 6,000 m to 11,000 m during Chinese cruises. However, it is still an apparent challenge to isolate hyperpiezophiles. Previously, we have proposed that “the common adaptation strategy allows microorganisms adapting to high-hydrostatic pressure similar as to other environmental stresses”. Following this approach，we recently have enriched the psychrophilic and hyperpiezophilic strains at 152 MPa with defined medium supplemented with chaotrope, which broken the up-limit of the optimal-growth-pressure (98 MPa)and the highest-growth-pressure (140 MPa)for piezophiles. In this project, we are achieving three goals: firstly, analyze the microbial metabolic pathways and identify the difference between the enrichment cultures with and without chaotrope under extreme high pressure; secondly, isolate the psychrophilic and hyperpiezophilic strains; thirdly, raise the pressure boundary for microbial growth(>152MPa).

伴随着我国深海取样装备技术的发展，获取6,000 m以下至11,000 m的深渊样品成为可能，但分离超嗜压微生物仍然是国际性的难题。前期我们提出了微生物在不同极端环境下有共同适应机制的假说，据此我们利用带有离散剂且成分确定的培养基，富集培养出能在152 MPa下快速生长的嗜冷超嗜压微生物，打破了已知嗜冷嗜压微生物的最适（98 MPa）、最高（140 MPa）生长极限。本研究中力求实现三个目标：1. 超高压条件下加离散剂和未加离散剂培养的微生物代谢途径的差异；2. 分离嗜冷严格超嗜压菌；3. 进一步打破低温条件下微生物生长的高压生长边界(>152MPa)。

高静水压是深海最普遍的环境参数，高压及其与其他环境因子耦合的叠加效应是深海生命适应和演化的关键驱动力。得益于我国深海取样装备技术的发展，本项目获取了6000-11000米的深渊样品，通过组学大数据分析和实验室模拟培养实验相结合的方式，系统性地研究了深海微生物的压力耐受极限。本项目完善了高压适应理论，并在目前已知所有生命形式中进行了实验验证，研究对象包括了原核（古菌和细菌）、真核和病毒。在古菌中，首次通过高温边界条件下的实验室自进化实现了耐压到嗜压的突变，揭示了温压之间的耦合关系，提出了嗜压特性形成的新路径。在182 MPa下富集获得的微生物群落，突破了目前已报道的嗜压菌生长最适（120 MPa）和最高（140 MPa）生长压力极限，揭示了离散剂MgCl2的添加对微生物超高压适应的作用。本项目还将深海高压研究从原核拓展到真核，分离和研究了41株深渊真菌，并发现了一株在150 MPa下仍具有代谢活性的耐压真菌，突破了对真菌代谢压力极限的认识。系统地研究了深海病毒，构建了目前为止最大的海沟病毒基因组数据库揭示深渊病毒多样性和分布特征，并以深海丝状噬菌体及其宿主作为模式系统，揭示了深海病毒受DNA磷硫酰化修饰激活的分子机理。此外，本项目通过研究深渊微生物对非生物氨基酸和糖对映体的利用拓展了对域外生命的认知。