龟山岛浅海热液口硫氧化ε-变形菌的生态分型特征及功能适应

Epsilonproteobacteria as the important contributors of sulfur oxidizing process broadly distributed at high abundance in marine hydrothermal vent. Beside diverse metabolic pathway which can offer energy for the carbon fixation process, the high microdiversity because of its genome plasticity gave a competitive advantage to thrive in ever changing steep physical–chemical gradients habitat near vents. However, the resolution of 16S rRNA gene is not enough for the analysis of microdiversity at the fine-scale taxonomic level within genus or species. In this study, the key enzyme genes of energy metabolic pathway will be used as marker genes to identify the ecotypes of genera Sulfurovum and Sulfurimonas represented sulfur-oxidizing Epsilonproteobacteria from shallow water hydrothermal vent off Kueishan Island, Taiwan. Then the relationships between ecotypes and the environmental parameters such as temperature, pH and nutrient. will be analyzed. Furthermore, functional adaptation corresponding to the kinds of ecotypes inferred from the genomes reconstruction from metagenomics will help to give a full scheme on the ecological adaptation of sulfur-oxidizing Epsilonproteobacteria.

ε-变形菌作为海洋热液系统硫氧化过程重要的参与者，不仅分布广泛、数量丰富，还通过硫氧化等多种途径固定二氧化碳，成为热液环境中关键的细菌类群。除了代谢途径多样化，ε-变形菌还具有丰富的微观多样性，在同一属或同一物种内分化出不同的生态分型，因此准确识别ε-变形菌的生态型分布及功能适应机制对于理解海洋热液系统具有重要的意义。然而传统基于16S rRNA基因的微生物多样性分析并不能辨识“属内”或“种内”的分型特征，寻找合适的标记基因势在必行。本项目以我国台湾龟山岛浅海热液口为研究区域，利用多个辨识度更高的标记基因，即能量代谢途径关键酶基因，指征硫氧化ε-变形菌代表属Sulfurovum和Sulfurimonas的微观多样性，揭示其生态型种类随温度、pH、营养元素等参数的变化特征。同时利用基因组重建的生物信息学方法，将功能适应与生态分型特征相结合，全面认识硫氧化ε-变形菌的生态适应机制。

深海热液口自1977年发现以来已有四十余年，由于对非病菌ε-变形菌了解较少，其重要性近年来才被关注，这类化能自养微生物代谢途径多样，硫氧化是其中一个重要的途径，加之生物量高，ε-变形菌成为海洋热液区微生物的关键类群。随着研究的深入，陆续报道了这类菌在近源物种之间存在代谢特征的差异，即微观多样性较丰富。本研究利用宏基因组组装基因组（MAGs, metagenome-assembled genomes）的技术分析硫氧化ε-变形菌代谢特征，此外选择多种关键酶基因作为标记基因，通过系统发育分析确定以分型特征，并根据生态分析及宏基因组的结果探讨ε-变形菌功能适应的机制。宏基因组的结果显示硫氧化是龟山岛表层水体及沉积物宏基因组中重要的能量代谢过程，相关基因的丰度高于该环境的热液样本；沉积物宏基因组所获得的MAGs中丰度较高的种类（ε-及γ-变形菌）均包含硫氧化的能力，不同于γ-变形菌通过反式硫酸盐还原酶rDsr进行硫氧化并耦合卡尔文循环进行自养固碳，ε-变形菌主要以硫氧化多酶体系Sox参与硫氧化过程并利用还原性三羧酸循环完成化能自养，并且ε-变形菌MAGs具有代谢简单碳源的能力，后续需对该环境分离菌株进行生理学的验证分析；此外还获得丰度较高的Desulfobacterota类群MAGs，其近缘类群具有硫岐化功能，它们与ε-和γ-变形菌共同参与龟山岛富硫沉积物的硫代谢过程。以功能基因（硫氧化过程sqr和soxB基因，及化能自养过程的关键酶基因aclB）进行的系统发育分析显示沉积物样本中Sulfurimonas和Sulfurovum属为代表的ε-变形菌有较为丰富的多样性，存在多个不同的系统发育型（phylotype），仅部分系统发育型已有纯培养的菌株，统计分析显示各站位aclB和sqr基因多样性与S2-及DIC碳同位素的变化趋势有一定相关性，但soxB基因多样性却未与SO32-、S2O32-、SO42-、S2等硫化合物浓度明确相关，推测soxB基因的影响因素可能复杂，不排除尚未检测到的其他硫化合物对其生态型分布有重要影响的可能。综上所述，本研究对浅海热液区ε-变形菌的功能代谢及生态分型特征进行了探讨，该类群潜在的异养能力以及复杂的硫氧化调控值得进行后续研究。