深海里的“土著”微生物也会“换季”过日子
在阳光无法抵达的千米深海，生命是如何生存和演化的？那里的微生物是在一成不变地“躺平”，还是在积极地应对环境变化？一项最新的研究表明，在深海里的“土著”微生物，也会根据季节来调整自己的“生活模式”。
近日，来自清华大学深圳国际研究生院教授王勇团队，利用自主研发的深海原位核酸采集系统，对南海1000米水深的微生物群落进行环境基因组和转录组学分析，发现了一群稳定的、代谢活跃的“土著”微生物类群，它们会根据季节调整代谢策略以响应环境变化。相关研究成果发表于《国际微生物生态学学会期刊》。
该研究不仅揭示了深海存在季节稳定的活性微生物核心群体，也揭示了它们在基因表达层面具有明显的季节性代谢分工，对于深入认识深海碳循环和微生物生态功能具有重要价值。
在千米深海里提取“活信息”
在阳光无法穿透的千米之下，高压、低温和黑暗构成了极端环境。然而，深海之下的微生物丰富多样，数量庞大，理解它们在极端环境中的生存和演化，对对揭示生命适应机制、理解全球碳循环具有重要意义。
以往科研人员对深海微生物的认知，大多基于从海底采集水样，再返回海面实验室，对微生物的DNA和RNA等核酸信息进行分析。然而，样品从深海在到达海面的过程中，温度从原本的低温升高至常温，压力由上百个大气压降至常温，这种剧变会导致原本活跃的微生物DNA分子出现降解、失活、甚至死亡。此外，从海洋表层降落的颗粒物会携带各种失活和死亡的微生物，会与真正活跃的“土著”微生物混合在一起，导致研究分析产生数据偏差。
那么，能不能直接在深海采样、做实验？如何确保“土著”微生物的核酸信息“原汁原味”？带着这些疑问，2017年，王勇团队开始攻关深海原位核酸采集系统，并开发出了多通道原位核酸采集系统（MISNAC）。研究团队将该MISNAC部署在南海西北部约1000米深处，于冬季和夏季分别进行原位采样。
MISNAC被搭载在深海着陆器上，下潜到海底后，该设备能够在预先设定的时间内过滤海水，在过滤的过程中，微生物被留在膜上。过滤完成后，设备会根据预先的设定在海底直接注入裂解液，把微生物“融化”后提取出DNA和RNA，保存在特制的硅胶颗粒上。
深海原位实验平台“凤凰”号着陆器携带MISNAC下潜。研究团队供图
待设备回到船上时，科研人员拿到便是经过初步处理后的原位DNA和RNA核酸样品，经过基因测序和数据分析后，便能真实展现深海微生物的组成成分与活性：一个微生物若在RNA和DNA样本中均被识别到，则表明它是活跃的；若仅存在于DNA样本中，则表明它已失活或死亡。
“我们经历了多轮海试和优化，不断优化海水压力对设备材料的考验，同时对比了不同酒精和细胞裂解物的比例，以及核酸吸附颗粒，确保在深海中将微生物核酸能够完好地保存下来。”论文通讯作者王勇说道。
验收海试布防前的深海原位核酸提取装置MISNAC。研究团队供图
“土著”微生物很稳定，“工作模式”分季节
基于采集的样本数据，研究团队发现，尽管不同季节海水中的微生物种群数量和丰度的变化很大，但真正在海水中活跃的微生物群落非常稳定，这或许是维持深海生态系统功能韧性的重要基础。
这群深海“土著”微生物主要包括：氨氧化古菌、SAR324 簇细菌、海洋螺菌目和波塞冬菌目等。有趣的是，这群“土著”不仅稳定，“工作模式”还有着鲜明的季节性。
“比如，在夏天，从海面上掉落下来的‘食物’多了，这些微生物就懒了，直接‘吃现成的’，直接降解颗粒有机碳获取能量。而在冬天，海面上掉下来的‘食物’少了，这些微生物就只好‘自己动手’了。例如，氨氧化古菌会吸收水中溶解的氨气，进行氧化反应，然后利用二氧化碳合成有机质和储备能量，与陆地的植物光合作用类似，实现自给自足。”王勇介绍，研究结果表明，深海微生物通过代谢策略的季节性切换来响应表层生态过程的“远程调控”。
值得注意的是，研究人员还发现，纤毛虫是深海里最活跃的原生生物，而非传统认为的有孔虫。纤毛虫作为深海中主要的初级消费者，在能量传递中扮演了关键角色。这一发现凸显了当前科学届对单细胞纤毛虫的理解仍然有限，人们对深海生态系统的构成和能量传递的认识还有巨大空间。
“以解决真问题为导向的深海研究，需要科学与工程相结合，创造新的研究范式和标准。”王勇强调，目前研究团队正在开发新的深海核酸提取和基因检测传感器，目标实现三个月以上的连续监测，为深海资源开发中的生态环境评估提供可靠方案。
相关论文信息：https://doi.org/10.1093/ismejo/wraf214
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