深海热液区微生物群落的环境适应性机理研究

Deep sea hydrothermal vent have most species of microbes，but knowledge of the process that cause biodiversity is lacking. We propose that “Common adaptation strategy allows microorganisms adapt to HHP like other stresses” and such amount species that have likely emerged through environmental fluctuation adaptation. In the second leg of Dayang 35 Cruise, results of 8 days continuous temperature observation on ultraslow-spreading Southwest Indian Ridge show there are semidiurnal tide cycles, up to 30℃ range. In this project, firstly we will investigate chimney samples from SWIR and EPR, by characterizing the community evolution under well controlled environments, to illustrate the life strategies coping with multiple stress in energy metabolism, synergistic and antagonistic reactions and genome redundancy at a community level. Then we will use a typical hyperthermophilic archaea Thermococcus eurythermalis A501 as model organism, to investigate the mechanisms to adapt to environments with multiple stresses such as temperature, salinity, pH, redox, nutrients, fluctuation and so on, looking for the key metabolic pathways and their influence to the whole ecosystem. We will verify our hypothesis and provide scientific proof for SWIR biodiversity protection.

深海热液区是微生物多样性最丰富的环境，但其原因并不明了。前期申请人提出“多因子环境适应存在共同机制”假说，并推测一定范围内的环境波动是种类分化与微生物多样性上升的重要原因。大洋35航次中，我们利用蛟龙号携带的温度探头检测到热液喷口温度半日潮周期性变化，温差可达30℃以上。本研究以西南印度洋龙旂热液区、东太平洋海隆热液区等不同烟囱体样本为生物材料，开展受控环境下的模拟实验，监测微生物菌群的演变，从中找出热液微生物群体从物质交换、能量代谢、协同与拮抗、基因组冗余等方面应对多重胁迫因子的生存策略。同时以新分离的广谱耐受的热液超嗜热古菌Thermococcus eurythermalis A501为模式菌株，研究其对温度、盐度、pH、氧化还原度、环境波动等多重胁迫因子的适应机制及其对生态功能影响。本研究将验证申请者先期提出的假说，为我国西南印度洋（微）生物多样性保护提供科学依据。

我们的研究从格局、过程、机理三个层面对《深海热液区微生物群落的环境适应性机理》开展了研究。格局：在对活跃喷发烟囱体和近期熄灭烟囱体中微生物群落分析基础上，发现在典型的热液硫化物烟囱体从初始形成到完全熄灭的过程中，栖息在其中的微生物群落由“热液主控型”演变成“矿物主控型”，并可以长期（千年以上）保持稳定。同时还发现了可能指示烟囱近期熄灭状态的标志性微生物。过程：首次在超嗜热微生物和严格厌氧菌中测得无偏差的突变速率。我们研究发现去除热点突变区后仍可计算得到71.57E-10个碱基/每代的高突变速率，比其他的free-living的原核生物高1-2个数量级。通过与其他菌株在突变积累实验的突变速率进行线性回归，得到了突变速率和有效种群大小的显著负相关，这一现象验证了drift-barrier假说，即有效种群越大，自然选择的选择压越大，突变速率越小，所以基因遗传漂变在已报道的原核生物中都起主要作用。机理：我们在一株深海热液的典型超嗜热古菌中，通过对不同环境胁迫下的定量蛋白组分析，在该菌株中找到了多因子环境适应存在共同机制的证据。此外，我们第一次报道嗜热古菌nanoRNase酶活性，加深了对古菌RNA降解途径的理解及nanoRNA降解酶学的认识。上述研究结果对于我们认知热液区微生物如何在能量、资源限制的情况下，保持基因组的稳定性以及复制的稳定性，以及热液区极端微生物环境适应性与生物多样性成因有着重要意义。截至目前，本项目共发表论文20篇，包括4篇专业顶级期刊，部分研究成果被海洋湖沼学会药物学分会推荐为2020年度中国十大海洋科技进展候选。