海山微生物多樣性研究進(jìn)展

劉 杰, 孫雅雯, 郭昱東, 張德超

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海山微生物多樣性研究進(jìn)展

劉 杰1, 孫雅雯1, 郭昱東1, 張德超2

(1. 青島科技大學(xué)海洋科學(xué)與生物工程學(xué)院生物工程系, 山東青島 266042; 2. 中國(guó)科學(xué)院海洋研究所海洋生物分類(lèi)與系統(tǒng)演化實(shí)驗(yàn)室, 山東青島 266071)

隨著深海海山區(qū)域生物多樣性的發(fā)現(xiàn), 人們?cè)絹?lái)越關(guān)注深海微生物的研究。海山山脈火山活躍部分具有非常廣泛的特殊微生物棲息環(huán)境, 因此成為人們研究海山微生物多樣性的熱點(diǎn)。但從現(xiàn)有報(bào)道來(lái)看, 我們對(duì)海山微生物的了解還很少。作者主要針對(duì)海山、尤其是西太平洋深海海山的類(lèi)型及其微生物群落(包括對(duì)鐵、硫循環(huán)起指示作用的特殊群落)的研究進(jìn)展進(jìn)行綜述。在這些研究中, 通過(guò)基于SSU rDNA克隆測(cè)序、T-RFLP、系統(tǒng)發(fā)育比較等培養(yǎng)與非培養(yǎng)分析手段發(fā)現(xiàn), 西太平洋深?；鹕交钴S海山周?chē)哂斜容^高的環(huán)境多樣性與特殊微生物類(lèi)群多樣性, 其中ζ變形菌綱(ζ- proteobacteria)和/或ε變形菌綱(ε- proteobacteria )微生物是最普遍的類(lèi)別。這些研究對(duì)于進(jìn)一步開(kāi)展其他海山的地質(zhì)形成過(guò)程及微生物棲息環(huán)境與類(lèi)群研究具有較大的指導(dǎo)意義。

西太平洋; 深海海山; 微生物類(lèi)群; 多樣性

海洋學(xué)家將高于海底地面1 000 m以上、而山頂處于海平面以下幾百至幾千米的山定義為海底山(Seamount, 簡(jiǎn)稱(chēng)海山)。2011年, 全球海洋深測(cè)資料顯示已經(jīng)有33 452座海山被確定, 其中大部分海山坐落于太平洋[1]。海山是由海底火山所形成的, 在其不斷升高過(guò)程中, 強(qiáng)烈的火山作用導(dǎo)致各種不同火山熱液口環(huán)境的形成, 這為新生命的存在提供了可能。火山活躍的海山僅占所有海山中的很小一部分, 而古老海山盡管火山活動(dòng)減弱或已靜止, 但仍可作為巖石地幔地下層與海洋之間液體交換的通道[2], 從而為深層或海底微生物群落提供營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)[3-4]。當(dāng)海山升高到一定高度后(比如高于海底1 000 m), 則能夠影響到海洋的環(huán)流與交匯, 因而微生物可在此進(jìn)行群落聚集性攝食營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)[5]。據(jù)估計(jì)全球有超過(guò)100 000座海山高度達(dá)到或超過(guò)1 000 m[6], 如此數(shù)量預(yù)示著可能會(huì)影響到海洋生物的棲息環(huán)境。絕大部分海山的形成與發(fā)生與地殼中的地質(zhì)構(gòu)造過(guò)程有關(guān), 例如島弧就是一連串來(lái)自會(huì)聚板塊的海下山脈; 而地殼熱泉或地幔熱柱驅(qū)動(dòng)的水下火山則是海山的另一來(lái)源(如太平洋夏威夷群島和大西洋亞速爾群島的海底海山)[7]。

深海微生物具有比較突出的抗極端環(huán)境等特性(如耐低溫、高壓和高pH)。在許多寒冷、相對(duì)靜止的深海海底沉積物中長(zhǎng)期生存著大量異養(yǎng)微生物; 而有火山活動(dòng)的海山, 因其比離散板塊邊界形成的大洋中脊具有更加不均一的理化性質(zhì), 因而成為一個(gè)動(dòng)態(tài)的、可為大量生物生長(zhǎng)提供特殊棲息環(huán)境的代表。由于人們對(duì)海山微生物的活動(dòng)在生物地球化學(xué)循環(huán)中所扮演的角色還不十分了解, 因此研究源于不同地質(zhì)過(guò)程形成的海山及其相應(yīng)的微生物類(lèi)群與棲息環(huán)境, 將具有很大的指導(dǎo)意義。

海底火山熱液口作為微生物活動(dòng)的棲息地, 極大地改變了人們對(duì)地球生命的認(rèn)識(shí), 同時(shí)也拓寬了人們對(duì)太陽(yáng)系以外存在生命跡象的想象?；鹕綗嵋嚎诘臉?biāo)志性特征是黑煙囪和大型生物的存在。黑煙囪翻滾著過(guò)熱水蒸汽, 含有一些硫、鐵礦物質(zhì), 大型生物通過(guò)與其共生的細(xì)菌提供能量, 而細(xì)菌則可利用從火山口流出的硫化物生存。

深海生態(tài)系統(tǒng)的多樣性重新改變了人們對(duì)深海極端生命的思考。近30年來(lái)對(duì)熱液口的研究以及大量好氧或厭氧代謝性細(xì)菌和古菌的發(fā)現(xiàn), 使我們對(duì)熱量影響生命有了更進(jìn)一步的認(rèn)識(shí)[8]。這些自養(yǎng)或異養(yǎng)微生物正是結(jié)合此處特殊的地球化學(xué)、溫度和壓力等條件, 形成了一套獨(dú)特的能量利用方式[9-10]。另外, 含有大量豐富營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的海山滲透通道液體, 不僅流經(jīng)體積相對(duì)較小的滲透性地殼中, 而且還可通過(guò)洋殼的海水循環(huán)有助于微生物的活動(dòng)[11-12], 例如具有典型火山系統(tǒng)的活躍海底弧形火山即是如此。另一個(gè)研究熱點(diǎn)是有關(guān)深海地表以下微生物的生活能力, 這涉及有機(jī)、無(wú)機(jī)化學(xué)反應(yīng)以及與深層地表下生物圈中微生物群落相關(guān)的地質(zhì)過(guò)程。盡管從陸地幾千米深層鉆探中, 已令人驚奇地發(fā)現(xiàn)了能利用來(lái)自水和巖石礦物質(zhì)互相作用為能量來(lái)源的微生物群落[13-14], 但目前人們對(duì)它們之間互相聯(lián)系的復(fù)雜性還知之甚少[15-16], 認(rèn)識(shí)僅局限于微生物的系統(tǒng)發(fā)育多樣性以及它們?cè)谏詈Ｉ锶锏拇x活動(dòng)程度。在海洋中, 對(duì)古老沉積物的深海鉆探已從海底以下幾百米處發(fā)現(xiàn)生活的細(xì)菌和古菌[17-18], 然而要從堅(jiān)硬、斷裂的海底巖石上進(jìn)行鉆探則非常困難, 所以人們對(duì)生活在大洋地殼中的微生物了解不是很多。而作為海底以上地殼延伸的海山則使得對(duì)底層巖石的采樣變得更加容易, 再加之海山可以作為海洋和大洋地殼之間液體交換的滲透性通道[19], 因此將海山作為發(fā)現(xiàn)海洋微生物多樣性與豐度的一個(gè)新研究前沿是值得考慮的。

目前人們對(duì)海山微生物、尤其是其群落結(jié)構(gòu)與多樣性方面了解的不多, 但有限的前期研究已部分解釋了微生物存在于海山棲息地的多樣性, 反過(guò)來(lái)也證明了形成海山獨(dú)特性的各種地球化學(xué)與水文條件?？紤]到海山生態(tài)系統(tǒng)驚人的多樣性, 目前對(duì)海山微生物群落類(lèi)型做明確的表述還為時(shí)過(guò)早。然而一些關(guān)于海山微生物分布類(lèi)型的研究結(jié)果正在出現(xiàn)。下面僅對(duì)太平洋(尤其是西太平洋)有關(guān)海山微生物及其棲息環(huán)境的多樣性研究進(jìn)行綜述。

1 羅希海山(Loihi Seamount)

羅希海山位于夏威夷大島嶼東南35 km處, 山頂距海底接近4 000 m。1988年Karl等[20]首先在羅希海山的培利火山口(Pele’s Vents)頂部附近發(fā)現(xiàn)了鐵含量豐富的微生物墊, 其細(xì)菌的形態(tài)主要呈刀狀。然而1996年的火山爆發(fā)導(dǎo)致該火山口被破壞形成了山口深坑, 因此導(dǎo)致微生物墊及大型海底生物明顯消失。原因主要是由于火山流液中含有高濃度的可溶性二氧化碳(300 mmol/L)、亞鐵離子(50~750 μmol/L)以及低氧濃度(僅有飽和海水的10%~15%)[21-22]。1996年火山爆發(fā)之前的研究表明, 微生物墊的組成主要是e變形菌綱(ε- proteobacteria )的卵硫細(xì)菌屬(), 同時(shí)新發(fā)現(xiàn)的ζ變形菌綱(ζ- proteobacteria)的發(fā)硫菌屬()也存在[23]。ζ變形菌綱是Emerson等[24-25]于2007年在對(duì)一株從羅希海山微生物墊中分離得到的菌(鑒定后建立的, 因此成為變形菌門(mén)里的第6個(gè)新綱。該菌株屬于嗜中性鐵氧化化能自養(yǎng)細(xì)菌, 可把Fe2+氧化Fe3+并固定CO2。該菌生長(zhǎng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生一種主要由氫氧化鐵組成的莖狀結(jié)構(gòu), 當(dāng)細(xì)胞中的鐵氧化反應(yīng)產(chǎn)物消失后該結(jié)構(gòu)依然存在[25]。此結(jié)構(gòu)是一些羅希海山微生物墊的共同特征, 因此可作為鐵氧化細(xì)菌存在的形態(tài)鑒定診斷指示。另外, 這株新菌與16SrDNA系統(tǒng)發(fā)育關(guān)系最相近的可培養(yǎng)模式菌株海噬甲基菌)的序列相似度僅有85.3%。

Rassa等[26]于2009年研究表明, ζ變形菌綱主要是羅希海山周?chē)蚶锩鎳娍诘貛У木侯?lèi)型, 而e變形菌綱則主要出現(xiàn)在溫度更高(>40℃)的火山出口處, 表明微生物墊中的微生物具有時(shí)空上的不一致性。利用末端限制性片段長(zhǎng)度多樣性分析技術(shù)(T-RFLP)對(duì)從羅希海山采集的多個(gè)微生物墊樣品進(jìn)行了深入分析后發(fā)現(xiàn), 羅希海山具有Loihi Groups 1和Loihi Groups 2兩個(gè)明顯的微生物類(lèi)群。其中以鐵為基礎(chǔ)的Loihi Groups 1主要由ζ變形菌綱組成, 而以硫?yàn)榛A(chǔ)的Loihi Groups 2則主要由ε變形菌綱組成。這兩個(gè)類(lèi)群微生物的分布與地球化學(xué)及溫度有關(guān)。其中Loihi Groups 1普遍存在于溫度較低(中值溫度為23℃)、可溶性Fe2+含量濃度較高的火山出口中; 而Loihi Groups 2則存在于溫度較高(中值溫度為77℃)、H2S和Fe2+濃度均較高的火山出口中, 且具有較高的微生物類(lèi)別多樣性。因此可以推論, Loihi Groups 1會(huì)隨著鐵氧化細(xì)菌(屬于 ζ變形菌綱)數(shù)量的不斷增多而增多, Loihi Groups 2會(huì)隨著硫氧化細(xì)菌(屬于e變形菌綱)數(shù)量的不斷增多而增多。另?yè)?jù)報(bào)道, 在羅希海山Fe2+還原菌估計(jì)達(dá)每毫升103個(gè)細(xì)胞[27]; 而這些海底玄武巖微生物群落可能起源于其周?chē)暮Ｋ统练e物, 經(jīng)歷幾千年演變成了相應(yīng)的土著菌群。因此說(shuō)是礦物質(zhì)(而不是地理環(huán)境)最終決定微生物的群落結(jié)構(gòu)[28]。

2 Axial海山(Axial Seamount)

Axial 海山位于太平洋東北部Juan de Fuca洋中脊的中心部位, 高約1 100 m, 1998年火山爆發(fā)后被廣泛研究[29]。該火山熱液口流出液的pH值比周?chē)Ｋ颓腋缓?是加拉帕戈斯群島相似火山口含量的5倍、普通海水的580倍), 巖漿系統(tǒng)溫度大約在300~500℃。盡管Axial火山熱液口的溫度和組成在過(guò)去時(shí)間里發(fā)生了許多變化, 但卻總是微生物群落的聚集地。其中最普遍的是e-變形菌綱、產(chǎn)甲烷球菌屬()中的古嗜熱菌以及廣古菌門(mén)(Euryarchaeota)中的古菌。另外, Stewart等[30]于2015年從該海山火山口流出液中篩選出一株極端嗜熱產(chǎn)甲烷菌()。Kennedy等[31]曾用光學(xué)電鏡、掃描電鏡(SEM)和x射線衍射觀察發(fā)現(xiàn), 來(lái)自Axial 海山火山噴口擴(kuò)散流位置的微生物明顯具有與 ζ變形菌綱細(xì)菌類(lèi)似的鐵結(jié)殼莖狀結(jié)構(gòu)特征。他們采用T-RFLP法研究發(fā)現(xiàn), 該火山噴口的ε變形菌綱占絕大多數(shù), 只有少量細(xì)菌屬于ζ變形菌綱, 這與羅希海山所具有的2個(gè)明顯細(xì)菌類(lèi)群相一致。

3 馬奴亞島群(Manua)的Vailulu’u 海山

Vailulu’u 海山是位于太平洋西南部薩摩亞群島(Samoa)東部45 km的一座活火山。該海山熱液中富含氧化鐵絮狀物及硫化物[32]。2009年Sudek等[33]采用培養(yǎng)和非培養(yǎng)的方法對(duì)Vailulu’u海山的微生物進(jìn)行了分析。其中標(biāo)準(zhǔn)克隆文庫(kù)(SSU rDNA)分析結(jié)果表明, 絕大部分克隆子屬于ε變形菌綱, 但也有少量ζ變形菌綱的克隆子被檢測(cè)到。此外, 2009年Connell等[34]還發(fā)現(xiàn)了包括酵母菌幾個(gè)種在內(nèi)的真菌群落結(jié)構(gòu)的多樣性, 其主要與鐵離子墊和Vailulu’u 海山的玄武質(zhì)巖表面相關(guān)。與羅希海山不同的是, Vailulu’u 海山頂部火山口具有復(fù)雜的循環(huán)模式, 這為許多大型動(dòng)物群落(包括蝦和鰻魚(yú))提供了棲息地。其中存在一種死亡深溝, 魚(yú)和其他大型動(dòng)物陷入其中會(huì)因缺氧窒息死亡, 這就為厭氧細(xì)菌提供了食物來(lái)源。然而目前人們對(duì)Vailulu’u 海山中支持大型動(dòng)物特殊營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的動(dòng)態(tài)以及作為主要生產(chǎn)力的細(xì)菌等情況還不了解。

4 Suiyo海山(Suiyo Seamount)

Suiyo海山是一座位于日本附近西太平洋的活躍海底火山, 其頂部有200~300 m深的火山噴口, 伴隨著富含硫化氫和甲烷的熱液[35]。很多嗜熱細(xì)菌和古菌從Suiyo海山中被分離得到, 包括能利用氫氣作為能源的新型化能自養(yǎng)細(xì)菌[36-37]以及在厭氧條件下能利用氫氣和硫代硫酸鹽的古菌[38]。2004年Sunamura等[39]從Suiyo海山內(nèi)熱液羽流中鑒定出2種主要普通硫氧化細(xì)菌類(lèi)型, 其中SUP01 group屬于ε變形菌綱、SUP05 group屬于γ變形菌綱。這兩種類(lèi)型的微生物約占整個(gè)熱液柱細(xì)菌的66%, 且與周?chē)Ｋ锏拿黠@不同。如此之大的比例說(shuō)明, 是火山口液體柱的流體動(dòng)力學(xué)促成了這兩類(lèi)群微生物的生長(zhǎng)。γ變形菌綱的細(xì)菌(包括硫微螺菌屬()和食堿菌屬()在所有的熱液和鉆孔樣品中均有發(fā)現(xiàn), 然而許多樣品中也發(fā)現(xiàn)了e變形菌綱細(xì)菌和一系列不同的細(xì)菌表型[40]。另外, 2007年Elsaied等[41]還對(duì)Suiyo海山和馬里亞納(Mariana)海山有關(guān)整合酶與整合子基因(一般被認(rèn)為是不相關(guān)細(xì)菌類(lèi)群之間的橫向基因轉(zhuǎn)移)的多樣性與分布進(jìn)行了研究。他們發(fā)現(xiàn)這些基因家族的很多新成員在兩個(gè)地點(diǎn)均存在, 表明兩地點(diǎn)不同細(xì)菌之間的基因交換可能是比較普遍的。

5 馬里亞納弧海山(Mariana Arc Seamount)

馬里亞納群島位于西太平洋, 人們對(duì)該群島海底火山的考察具有許多新發(fā)現(xiàn), 并為此促使美國(guó)政府建立了馬里亞納群島海溝海洋國(guó)家博物館。2007年Embley等[42]首次發(fā)現(xiàn), 覆蓋光能合成薄殼狀紅藻的絲狀微生物墊是與珊瑚互相重疊的。利用分子指紋圖譜方法對(duì)緊挨白色煙囪火山口(帶二氧化碳水滴)的白色絮狀微生物墊進(jìn)行分析時(shí)發(fā)現(xiàn), 每個(gè)火山口的微生物組成都是獨(dú)特的, 表明在這些生態(tài)系統(tǒng)中的微生物群落具有較高的多樣性。2008年Davis等[43]經(jīng)過(guò)T-RFLP研究, 表明這些生態(tài)系統(tǒng)中的大部分微生物群落是化能自養(yǎng)的, 屬于e變形菌綱(Mariana Cluster III)或者ζ變形菌綱(Mariana Cluster I)。但有趣的是, 盡管有些海山的環(huán)境條件非常極端, 但細(xì)菌總是比古菌占有優(yōu)勢(shì), 古菌群落均不超過(guò)13%。

早在2006年Nakagawa等[44]的研究就表明, 在馬里亞納群島海底火山煙囪表面和內(nèi)部樣品中, 微生物群落主要是ε變形菌綱中一些好氧氧化氫/硫、厭氧氧化氫以及還原硫的化能自養(yǎng)菌, 并且其中古菌不到2%。

上述研究表明, 馬里亞納群島海底火山的e變形菌綱細(xì)菌具有高度系統(tǒng)發(fā)育多樣性和普遍的代謝潛能, 這與海山火山口微生物群落主要是由ε變形菌綱或 ζ變形菌綱細(xì)菌所組成的普遍模式相吻合?？傊? 伴隨著馬里亞納群島海底火山日益增多的火山活動(dòng)、物質(zhì)來(lái)源不斷減少所造成的不均一性以及所形成的復(fù)雜地球化學(xué)熱液體系, 馬里亞納群島海山將成為細(xì)菌生物多樣性的研究熱點(diǎn)[43]。

6 湯加弧海山(Tonga Arc Seamount)

人們利用潛水艇沿著位于西南太平洋的湯加島弧周?chē)l(fā)現(xiàn)了2座淺水火山, 其中一座火山位于385~540 m深處, 火山出口溫度較高(245~265℃), 另一座火山則表現(xiàn)出更廣泛的擴(kuò)散出口(30~70℃)。然而這兩處均廣泛存在著與氫氧化鐵礦物質(zhì)外殼有關(guān)的絲狀微生物墊區(qū)[45]。利用透射電子顯微鏡(TEM)觀察采集的水鐵礦樣品時(shí)發(fā)現(xiàn), 其中細(xì)菌的結(jié)構(gòu)與很相似, 由此證明氧化鐵是其生命所必需的[46]。分子生物學(xué)分析表明, 兩處火山相似樣品中存在著許多具有較高相似性的 ζ變形菌綱表型類(lèi)群。

7 克爾瑪?shù)驴嘶『Ｉ?Kermadec Arc Seamount)

2001年de Ronde等[47]探索發(fā)現(xiàn), 位于西南太平洋、地球上最長(zhǎng)的海底島弧“克爾瑪?shù)驴恕珳訊u弧”包含著一系列的海山。其中Brothers volcano火山是克爾瑪?shù)驴藣u弧中活躍的一部分。從67℃火山口低圓錐地點(diǎn)采集到一塊覆蓋元素硫和白色微生物墊的英安巖熔巖, 經(jīng)對(duì)其研究發(fā)現(xiàn), 其最主要微生物類(lèi)群是δ變形菌綱(大部分是硫還原細(xì)菌), 同時(shí)有5%的克隆文庫(kù)是e變形菌綱的克隆子[48]。另外, 對(duì)Clark和Tangaroa兩處廣泛分布絮狀氧化鐵區(qū)域(幾十到上百平方米)的海山研究發(fā)現(xiàn), 這些微生物墊在形態(tài)學(xué)上與羅希海山以及其他地方發(fā)現(xiàn)的生物氧化物很類(lèi)似。上述3個(gè)微生物墊中均可檢測(cè)到 ζ變形菌綱類(lèi)群, 然而它們的克隆文庫(kù)卻主要由ε變形菌綱的成員組成。

對(duì)克爾瑪?shù)驴藣u弧周?chē)Ｉ降难芯勘砻? 我們可能對(duì)與海山相關(guān)的鐵氧化細(xì)菌群落還不完全了解。它們要么存在著一群至今未培養(yǎng)的屬于ε變形菌綱的鐵氧化菌(容易形成絮狀鐵微生物墊), 要么屬于 ζ變形菌綱的鐵氧化菌是快速增長(zhǎng)微生物墊中唯一活躍的微生物[49]。

8 南查莫羅(South Chamorro)和其他馬里亞納前島弧海山(Mariana Forearceamounts)

馬里亞納島弧包含著一系列蜿蜒的泥火山。這些泥火山高2 000 m左右, 直徑可到達(dá)50 km[50]。火山頂部經(jīng)常會(huì)有pH值達(dá)12.5、比海水更新鮮的高堿性泉水形成, 并可傳送到海底[51]。南查莫羅海山就有很多這樣的活躍山頂泉水(此處也是海洋鉆探項(xiàng)目ODP的聚焦點(diǎn))。對(duì)該區(qū)域的調(diào)查發(fā)現(xiàn), 在海山表面和深處海底均存在著微生物的多樣性和群落結(jié)構(gòu)。一般來(lái)說(shuō), 這些高堿性液體具有高含量的硫化物、但幾乎不含硫酸鹽的特點(diǎn), 因此更有利于由古菌主導(dǎo)的厭氧甲烷氧化(AMO)和硫還原過(guò)程[52]。而馬里亞納弧泥火山卻提供了獨(dú)特的生物地球化學(xué)視角。觀察俯沖板塊的液化和上沖板塊的蛇紋石形成過(guò)程, 可以了解到為地表表面極端古菌群落提供能量的機(jī)制, 同時(shí)該環(huán)境也可為調(diào)查地表以下極端嗜堿微生物的系統(tǒng)發(fā)育多樣性和生態(tài)重要性提供良好的機(jī)會(huì)。例如海桿菌屬嗜堿菌()就是從ODP位置1 200 m的海底泥中被分離到的;類(lèi)群以及類(lèi)群的和等也均被基于PCR的分子生物學(xué)方法從南查莫羅海山海底蛇紋石化泥中檢測(cè)到[53]。

不斷有證據(jù)表明, ε變形菌綱或 ζ變形菌綱微生物是火山活躍的海山表面熱液環(huán)境中最普遍的類(lèi)型, 而不是海山周?chē)Ｋ钠毡轭?lèi)群。但令人奇怪的是, 古菌卻沒(méi)有在海山表面環(huán)境樣品中廣泛存在, 而是大量存在于高溫?zé)焽鑳?nèi)部和火山活躍海山的厭氧表層液體中[54-55]。但來(lái)自馬里亞納島弧的泥火山是一個(gè)例外, 它代表著地球上最極端的堿性環(huán)境, 主要生長(zhǎng)著不常見(jiàn)的古菌[56]?？傊? 微生物的群落類(lèi)型在一定程度上反映了由海山地質(zhì)過(guò)程驅(qū)動(dòng)的潛在地球化學(xué)。

如前所述, ε變形菌綱在很大寬度和深度上組成了微生物的系統(tǒng)發(fā)育多樣性, 而那些建立在SSU rDNA 克隆文庫(kù)分析基礎(chǔ)上的非培養(yǎng)方法也在努力試圖描述和培養(yǎng)這些類(lèi)群的代表。據(jù)Campbell[57]報(bào)道, 所有與深海熱液口相關(guān)的ε變形菌綱細(xì)菌, 要么是氧化還原硫型, 要么是還原硫型, 同時(shí)又可氧化氫或甲酸。它們大部分為自養(yǎng)型, 但也能兼氧和偶爾異養(yǎng)。例如在羅希海山發(fā)現(xiàn)的大部分是和屬(硫氧化劑), 而類(lèi)群(氧化氫, 硫還原)也能被檢測(cè)到[58-59]。

Fe2+豐富的火山擴(kuò)散出口處發(fā)現(xiàn)ζ變形菌綱是一件很有趣的事情。自20世紀(jì)80年代以來(lái), 最初被假定為由生物造成的明顯莖狀鐵氧化結(jié)殼, 后來(lái)卻經(jīng)常被發(fā)現(xiàn)于來(lái)自近代和古代熱液點(diǎn)的絮狀氫氧化鐵沉淀物中[60]。菌株的分離和SSU rDNA的分析表明, 它代表著變形菌門(mén) (Proteobacteria)中的一個(gè)新綱(ζ變形菌綱)[61]。最初認(rèn)為這類(lèi)微生物是非常少的, 但后來(lái)的研究表明, ζ變形菌綱在鐵豐富的海山環(huán)境中是大量存在的。但是菌株的培養(yǎng)并不意味著我們已經(jīng)描述了 ζ變形菌綱的所有重要特征。實(shí)際上, 在大部分海山中可能只代表著一個(gè)相對(duì)較小的分支。

最近, 有人采用一種獨(dú)立培養(yǎng)途徑的宏基因組及16S rRNA基因克隆文庫(kù)方法, 對(duì)采集自中太平洋海山富鈷-鐵錳結(jié)殼沉積物中的微生物進(jìn)行了基因組信息及相關(guān)生態(tài)功能的研究[62-64]。結(jié)果顯示, 在富鈷- 鐵錳結(jié)殼沉積物中變形菌門(mén)細(xì)菌和海洋古菌占主要地位, 并且它們編碼的蛋白參與了諸如有機(jī)酸合成、重金屬抗性、應(yīng)激反應(yīng)以及硫、氮、金屬循環(huán)等代謝過(guò)程, 尤其是氮循環(huán)成為其中的一個(gè)重要生物地球化學(xué)過(guò)程。另外, 在這些研究中還發(fā)現(xiàn)了許多水平基因轉(zhuǎn)移(HGT)事件(多數(shù)發(fā)生在細(xì)菌間、少數(shù)發(fā)生于古菌和植物), 這種高頻率的HGT事件及基因組的差異性也許就是深海微生物適應(yīng)環(huán)境的原因所在。2015年Esther Singer等[65]新近對(duì)羅希海山海底玄武巖環(huán)境微生物群落的系統(tǒng)發(fā)育和功能基因分析表明, 這些微生物主要由α變形菌綱、γ變形菌綱細(xì)菌和古菌(Thaumarchaeota)組成, 這些微生物具有廣泛的代謝功能潛力(包括固碳、脫氮、異化型硫酸鹽還原及硫氧化等), 其中Thaumarchaeota古菌在銨氧化方面發(fā)揮著重要作用。

另外, 來(lái)自羅希海山樣品形態(tài)學(xué)的信息也引起人們的好奇, 那就是除莖狀鐵氧化結(jié)構(gòu)外, 其他形態(tài)類(lèi)型的鐵氧化物也存在。其中一個(gè)經(jīng)常出現(xiàn)的形態(tài)就是扁平管狀鐵氧化結(jié)構(gòu), 在其頂部末端生長(zhǎng)著單一細(xì)胞, 當(dāng)生物分開(kāi)時(shí), 管分叉成Y型。這些形態(tài)結(jié)構(gòu)在羅希海山的海山樣品中常見(jiàn), 在其他地方也占優(yōu)勢(shì)。在富含鐵離子微生物墊中發(fā)現(xiàn)的另一種形態(tài)類(lèi)型是鞘狀微生物。盡管它們看上去與普通海水中的鐵氧化菌赭色纖毛菌)很相像, 但是人們沒(méi)有鑒定到任何與 ζ變形菌綱纖毛菌屬()相關(guān)的種系類(lèi)型, 推測(cè)這些海洋鞘狀鐵氧化菌可能是呈現(xiàn)會(huì)聚性進(jìn)化的代表。這些系統(tǒng)發(fā)育關(guān)系很不同的微生物很可能找到了一種普遍策略與鐵一起生長(zhǎng), 但這并非意味著所有ζ變形菌綱細(xì)菌都是鐵氧化劑, 它們也有可能會(huì)利用其他底物生長(zhǎng)。

總之, 海山是一個(gè)研究微生物生態(tài)、進(jìn)化等基本問(wèn)題的天然實(shí)驗(yàn)室。由于海山在地理上更趨向于彼此分離, 相比于海洋中脊更連續(xù)的環(huán)境, 微生物在海山之間的移動(dòng)將會(huì)存在更多的障礙。因此, 海山可能是研究微生物群落生物地理學(xué)的更加理想之地。但是, 還有一些基本問(wèn)題需要人們深入研究解決:

(1) 與大洋中脊相比, 常見(jiàn)熱液活動(dòng)海山區(qū)的微生物群落是不是有本質(zhì)的區(qū)別？海山區(qū)的鐵氧化過(guò)程是不是比在擴(kuò)張中心的大洋脊軸更重要？

(2) 海山的確是觀察地表下世界的窗口嗎？海底循環(huán)路徑是不是對(duì)微生物的重新分布有重要作用？

(3) 與海山相關(guān)的水柱流體力學(xué), 在多大程度上影響和改變營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的分布類(lèi)型, 從而影響微生物群落的結(jié)構(gòu)和動(dòng)態(tài)？

(4) 海山對(duì)全球海洋地理微生物有多重要？海山在改變地殼和海洋化學(xué)方面(包括鐵和硫在海洋中的循環(huán))扮演了什么角色？海山對(duì)海洋酸化和全球碳循環(huán)的影響究竟如何？

以上問(wèn)題說(shuō)明我們對(duì)海山微生物生態(tài)了解得還很少, 但同時(shí)也表明海洋微生物學(xué)的研究潛力巨大。研究海山及海山微生物不僅可以增加我們對(duì)海洋地質(zhì)基本形成過(guò)程的認(rèn)識(shí), 也可從中發(fā)現(xiàn)新的化合物、活性酶和微生物新類(lèi)群, 這在生物科技、生物能源以及生物修復(fù)等方面均有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。另外, 來(lái)自海山的微生物可為探索地球生命起源提供重要線索, 它們也許會(huì)在太陽(yáng)系其他可居住區(qū)里存在。

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The research progress on the microbial diversity of seamounts

LIU Jie1, SUN Ya-wen1, GUO Yu-dong1, ZHANG De-chao2

(1. Department of Bioengineering, College of Marine Science and Biological Engineering, Qingdao University of Science and Technology, Qingdao 266042, China; 2. Institute of Oceanology, Chinese Academy of Sciences, Qingdao 266071, China)

Because of the continuous discovery of deep seamounts, people are paying more attention to the study of seamount microbes. The active volcanic region of seamounts can provide a wide range of living environments for many special microorganisms, and therefore, currently, it has become a research hotspot. However, based on the existing reports, our understanding of seamount microorganisms is still very poor. Here the research progress on the types of deep seamount (particularly the Western pacific seamounts) and theirmicrobial groups (including the indicator microbial groups of the iron and sulfur element cycle) were reviewed. The results of these investigations showed thatthere are more diverse environments and special microbial groups based on the analysis methodsofSSU rDNA sequencing, T-RFLP, and phylogenetic comparison. Zeta (ζ)- and/or epsilon (ε)- proteobacteria are the most common groups in these deep seamount areas with an active volcano in the Western Pacific. This research can be of great guiding significance for further research on geological forming and microbial habitat groups of other deep seamounts.

Western Pacific; deep seamounts; microbial groups; diversity

Q346

A

1000-3096(2017)01-0123-08

10.11759//hykx20160129006

2016-01-29;

2016-06-07

中國(guó)科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專(zhuān)項(xiàng)(XDA11030201); 中國(guó)科學(xué)院海洋研究所“一三五”專(zhuān)項(xiàng)資助(2012IO060105)

劉杰(1963-), 男, 山東泰安人, 博士, 碩士生導(dǎo)師, 目前主要從事環(huán)境(海洋、極地)微生物多樣性的研究與應(yīng)用, E-mail: jieliu1301@ sina.com.cn; 張德超, 通信作者, E-mail: zhangdechao@qdio.ac.cn

Jan. 29, 2016

[Strategic Priority Research Program of the Chinese Academy of Sciences, No.XDA11030201; “135” fund of Institute of Oceanology, Chinese Academy of Sciences, No. 2012IO060105]

(本文編輯: 譚雪靜)