近日，清华大学深圳国际研究生院海洋工程研究院王勇教授团队与美国伍兹霍尔海洋研究所团队合作，通过宏基因组、宏转录组和地球化学分析研究了地球海洋最深处沉积物中微生物的基因组特点、生态潜能和物种新颖性。
深渊(深度>6000米)是地质构造上相对孤立的深海环境，由地球板块俯冲挤压形成海沟。研究如此深的海域中的生命活动，面临采样困难的问题，这使深渊区成为目前探索最少的海洋环境之一。挑战者深渊位于西太平洋的马里亚纳海沟，最深处达10909米，是已探明地球海洋中的最深处，也是地球的第四极。活跃的地质活动引发频繁的浅层地震，而海沟的“V形”地形导致富含难降解有机物和有毒重金属元素的深海表层沉积物和火山物质向深渊底部汇聚。以往认为这些海沟里聚积的海洋“垃圾”只能被回收到地壳中熔解成无机物和小分子，而微生物的作用似乎微不足道。因此，深渊微生物极端环境适应机制，及其介导的地球物质循环的是本文的研究重点。
图1 挑战者深渊沉积物采样站位及微生物组新颖性概述
(a. 采样站位; b&c 原核微生物物种新颖性； d&e 原核微生物群落新颖性)
研究团队借助中科院在深海万米科考装备和技术上的突破，获得了挑战者深渊南北坡和底部共13个站位的沉积物柱状样，分析了37个宏基因组，揭示了挑战者深渊沉积物中原核微生物新种比例达到26%，高于目前所有已研究的深海环境，并且微生物新颖性随水深和沉积物深度增加而增加（图1）。基于586个微生物基因组的功能分析显示这些微生物广泛存在芳香类有机物降解和氨基酸利用（81%）的相关基因，优势微生物可以进行氨氧化途径和固碳合成新鲜有机质，将深渊累积的有机氮转化成氮气，释放到上层水体，可能有助于全球氮元素的平衡（图2）。本研究还发现了深渊沉积物中砷和汞的累积，并且61%的深渊微生物基因组中含有三价砷甲基化基因，起到重金属解毒的作用同时将甲基砷作为耐压剂抵御深渊的高压。
图2 挑战者深渊沉积物中氮和砷循环示意图，括号内数字表示拥有参与氮和砷循环基因的基因组数目
综上所述，该项研究以挑战者深渊斜坡区和底部沉积物中的微生物为研究对象，获得了目前最大的深渊微生物基因组数据集，并揭示了微生物在超深渊海沟中的地理分布格局和基因组特点。该研究为全球深渊微生物的分布和生态功能研究提供了重要的研究范式，为探索生物在深海极端环境下的适应机制和进化过程提供了理论支撑。
相关研究成果以《挑战者深渊沉积物微生物组》（Microbiomes in the Challenger Deep slope and bottom-axis sediments）为题于3月21日在线发表于国际著名期刊《自然·通讯》（Nature Communications）。中科院深海所博士生周颖力与伍兹霍尔海洋研究所Paraskevi Mara博士为本文共同第一作者，清华大学深圳国际研究生院海洋工程研究院王勇教授为本文通讯作者。本研究工作得到了中科院先导科技专项B类深渊项目的资助。
论文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-022-29144-4
