项目文章-失落之城的谜语：嗜化原核生物驱动中国南海绝迹冷泉的碳、硫、氮轮回
Tips：
能量在生态系统中定向活动，以阳光的形式进进，并在差别营养级之间的转移过程中以热量的形式分开，那此中，构成生物体的物量被保留和轮回操纵，与有机分子相关的六种最常见。元素——碳、氮、氢、氧、磷和硫——以各类化学形式存在，并可能持久存在于大气、陆地、水体或者地表以下。地量过程，如风化、侵蚀、排水和大陆板块的爬升，都在那种物量轮回中发扬感化。因为地量学和化学在关于该过程的研究中起次要感化，无机物在生物体及其情况之间的轮回便被称为生物地球化学轮回。
导读
2022年12月，中国科学院南海海洋研究所的团队在Microbiology Spectrum上颁发了一篇题为“Riddles of Lost City: Chemotrophic Prokaryotes Drives Carbon, Sulfur, and Nitrogen Cycling at an Extinct Cold Seep, South China Sea”（“失落之城的谜语：嗜化原核生物驱动中国南海绝迹冷泉的碳、硫、氮轮回”）的研究论文。该研究摘用细菌全长16s和古菌全长16s的比力微生物组学办法，探究了堆积物原核生物的多样性、分类特异性、种间相关性和代谢特征等，显示了灭绝冷渗过程中微生物群介导的地球化学轮回的潜在机造，促进了我们对深海微生物生态学的熟悉。百迈客为该研究供给了细菌和古菌全长的测序办事。
研究布景
深海冷渗漏是由流体照顾的碳氢化合物庇护的最有效的生态系统之一。一旦渗漏液停行，富贵的自养群落就会消逝，它们被称为已经灭绝的渗漏。但异养动物群仍然能存活数千年。原核生物在活泼的渗漏中的关键感化是明白的，但它们在灭绝的渗漏中的功用到目前为行还不清晰。
样本摘集
摘集中国南海北部的海马冷渗区的堆积物样品海马冷渗，根据样本差别的摘集地点，将样天职为AS（活泼的渗漏区），NS（非渗漏区）以及ES（灭绝的渗漏区）三组。
次要成果
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1、在差别地点的古生菌和细菌的构成和多样性
共获得653,729和612,972条全长16S rRNA基因序列。稀少度曲线阐发表白，群落多样性评判的样本量是充沛的。古菌群落以甲烷菌为主(96.76 ~ 99.84%)，NS位点古菌群落以Methanomicrobia(3.71 ~ 37.66%)、Lokiarchaeia(11.81 ~ 73.06%)、Bathyarchaeia(3.85 ~ 20.52%)、Nitrososphaeria(2.71 ~54.07%)和Thermoplasmata(4.06 ~ 29.42%)为主。关于细菌群落，伽马变形菌门(27.09 ~ 52.09%)和弯曲菌(30.66 ~ 51.41%)在AS位点占优势。ES位点的JS-1分收最多(29.96 ~ 48.05%)，Campylobacteria(24.51 ~ 67.83%)和Deltaproteobacteria(5.98 ~ 27.32%)也最多(ES1、ES2、ES3)。NS位点的细菌群落以Gammaproteobacteria(7.17~38.25%)、Acidimicrobiia(2.19 ~ 32.56%)、Deltaproteobacteria(1.18 ~ 6.30%)、Anaerolineae(2.89 ~ 17.71%)、Bacilli(2.21 ~ 15.21%)、Microgenomatia(0.88 ~ 9.96%)、NC10分收(1.09 ~ 12.55%)为主。ES和NS位点的古菌群落Shannon和Simpson指数均显著高于AS位点。而细菌在三个位点之间没有改变。PCoA表白，AS和NS位点的古菌群落均表示出明显的群落特征非堆叠形式，PERMANOVA阐发表白，ES与AS或NS的古菌群落差别不显著。细菌群落在所有位点之间表示出明显的差别。
图1 古菌和细菌的构成和多样性
2、古生菌和细菌品种在差别地点的散布特异性
在物种程度上的三元相图中能够清晰地看出，古菌和细菌的物种大多散布在角落或边沿，表示出明显的地点散布格局。与AS位点特有的32种古菌ASV和85种细菌ASV比拟，ES位点特有799种古菌ASV和477种细菌ASV, NS位点特有762种古菌ASV和145种细菌ASV。ES和NS共有196个古菌ASV和94个细菌ASV。关于古菌群落，54种中有36种在ES和NS具有特异性，此中Euryarchaeota占52.8%，Thaumarchaeota占27.8%，其他古菌占19.4%。180种细菌中有133种在ES和NS位点特异。此中，37.6%、12.0%、9.0%、7.5%别离从属于Proteobac teria、Planctomycetes、Chloroflexi、Firmicutes。
图2 古生菌和细菌的散布特异性
3、原核生物与关键物种抉择的相关性
摘用分子生态收集阐发(MENA)对各阶段样品古菌和细菌的种间相关性停止阐发。共有117个节点代表亲核生物物种，257个连线代表节点之间的相关性联络，整体发现相对品貌较高的ASV(用较深的颜色表达)毗连较少(用节点大小表达)。ANME-2c、Desulfobulbaceae、milan - wf1b -44、Lokiarchaeia和Nitrosopumilaceae具有高度的毗连性。确定了1个收集枢纽、2个模块枢纽和24个毗连器，此中24个呈现在ES位点，变形菌门(Proteobacteria)、asgardaota和Euryarchaeota别离占40.7%、18.5%和14.8%。根据群落的次要特征向量别离出7个模块(M)，那些模块次要由Proteo bacteria、放线菌门(Actinobacteria)、Asgardaeota、弯曲菌门(Campylobacterota)和欧律古菌门(Euryarchaeota)构成，但它们的构成在差别模块之间有所差别。而且那些模块在差别的地点发扬感化。M0、M2、M4和M5中超越一半的物种呈现在ES位点，此中Proteobacteria和Asgardaeota是那些模块中的优势种，提醒那些物种可能在该位点发扬感化。M1、M3和M6的品种以变形菌门和弯曲菌门为主，在AS位点较为普及。在NS位点，M0、M4、M5的所有物种都有，其他模块的大部门物种都有。
图3 古生菌与细菌品种的相关性
4、海马冷渗差别部位的碳、硫、氮轮回
为了评判古菌和细菌在地球化学轮回方面的差别，操纵Faprotax软件揣测了古菌和细菌的功用。古菌参与了碳轮回(即甲烷生成)和氮轮回(即好氧氨氧化和硝化)。ES和NS位点参与碳轮回的ASV比例呈下降趋向，而参与氮轮回的ASV比例呈明显上升趋向。细菌参与碳轮回(即几丁量合成、发酵、芳香烃降解、芳香烃化合物降解和烃类降解)、硫轮回(即硫酸盐唤吸、亚硫酸盐唤吸、硫化合物唤吸、硫化合物暗硫氧化、硫化合物暗氧化)和氮轮回(即反硝化、硝酸盐氨化、亚硝酸盐氨化、亚硝酸盐唤吸、镍铵唤吸、硝酸盐复原、氮唤吸、尿素合成)。ES位点参与碳氮轮回的ASV比例明显高于AS位点，而参与硫轮回的ASV比例则下降。
图4 碳、硫和氮的代谢情状
总结
该文阐了然灭绝渗漏中堆积物原核生物的多样性、分类特异性、种间相关性和代谢特征。差别于动物群落，在灭绝渗漏中，原核生物多样性表示为增加（古菌）或稳定（细菌）。它们既能够通过无机碳、硫，特殊是在活性渗漏中不存在的氮的轮回停止化学化石自摄生活，也能够通过化学有机营摄生活。值得重视的是，许多渗漏特异性和关键谱系被回类为变形菌门。关于那一分收的功用多样性和代谢乖巧性，变形菌门可能是地球化学轮回的整合者，并在能量和资本填补方面发扬关键感化，以撑持灭绝渗漏中微生物组的不变性。
参考文献
Chen Y, Lyu Y, Zhang J, Li Q, Lyu L, Zhou Y, Kong J, Zeng X, Zhang S, Li J. Riddles of Lost City: Chemotrophic Prokaryotes Drives Carbon, Sulfur, and Nitrogen Cycling at an Extinct Cold Seep, South China Sea. Microbiol Spectr. 2023 Feb 14;11(1):e0333822. doi: 10.1128/spectrum.03338-22. Epub 2022 Dec 13. PMID: 36511717; PMCID: PMC9927161.
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