探秘深海：揭示马里亚纳海沟中假单胞菌的分布与生态功能奥秘
探秘深海：揭示马里亚纳海沟中假单胞菌的分布与生态功能奥秘
上海交通大学研究人员在《BMC Microbiology》杂志上发表了一项关于马里亚纳海沟中假单胞菌的研究。研究通过分析大量公共数据集，揭示了假单胞菌在深海环境中的分布特征、独特基因组特征和代谢潜力，为理解深海生态系统的碳氮循环提供了新的视角。
深海微生物的神秘面纱：亟待揭开的生态谜团
在地球海洋的最深处，存在着一片神秘的区域 —— 深海海沟（Hadal zone），这里深度超过 6000 米，有着高静水压力、低温和低碳可用性的极端环境。然而，令人惊奇的是，即使在这样恶劣的条件下，微生物依然在这里顽强生存，并且活动异常活跃。此前的研究发现，深海海沟沉积物中的微生物碳周转速率高得惊人，甚至能与较浅且更具生产力的海洋区域相媲美，微生物细胞的丰度在深层沉积物中也表现出较高的生物量。这表明深海海沟在全球碳循环中可能扮演着比我们之前认知更为重要的角色。
假单胞菌（Pseudomonas）作为变形菌门中的一属，是深海海沟水体和沉积物中最为常见的细菌类群之一。它广泛分布于各种自然环境，具备多样的代谢能力，能够利用和产生多种碳氮化合物。但目前对于假单胞菌在深海海沟生态系统中的具体作用，以及它们如何适应极端环境，我们知之甚少。为了填补这些知识空白，上海交通大学的研究人员开展了一项深入研究，相关成果发表在《BMC Microbiology》杂志上。
研究方法：多技术联合探秘深海微生物世界
研究人员为了深入了解假单胞菌在深海海沟中的奥秘，运用了多种关键技术。首先，收集了大量来自马里亚纳海沟的公共数据集，包括 81 个扩增子数据集、120 个宏基因组数据集和 14 个宏转录组数据集。通过 16S rRNA 扩增子测序分析，研究人员确定了假单胞菌在海沟环境中的分布情况。同时，对部分样本进行 DNA 提取和测序，获得宏基因组数据。接着，利用生物信息学方法进行宏基因组组装基因组（MAGs）的创建，评估 MAGs 的质量并进行分类。此外，还进行了比较基因组分析，以探究假单胞菌适应深海环境的策略。最后，对宏转录组数据进行处理和分析，确定假单胞菌基因的表达情况。
研究结果：深海假单胞菌的奇妙发现
广泛分布 ：研究人员分析 81 个扩增子数据集和 120 个宏基因组数据集后发现，假单胞菌在深海海沟环境中分布极为广泛。在扩增子数据集中，58 个数据集检测到假单胞菌，相对丰度在细菌群落中为 0.02% - 7.00%；在宏基因组数据集中，所有数据集都含有假单胞菌的 reads，在原核生物群落中的相对丰度为 0.40% - 10.59%。并且从不同深度和沉积物层的样本中都鉴定出了假单胞菌的 MAGs。
独特基因组特征 ：研究人员成功重建了 21 个假单胞菌的 MAGs，经分析属于 4 个属，其中有 3 个代表 MAGs 属于新物种。比较基因组分析表明，与非深海区域的假单胞菌相比，深海假单胞菌具有更多与能量产生和物质运输相关的独特直系同源基因群（OGs）。这些独特的 OGs 涉及多种功能，如硫酸盐 / 硫代硫酸盐、核糖的运输，以及甘氨酸甜菜碱 / 脯氨酸的运输和部分反硝化作用等。
多样代谢潜力 ：对 8 个完整性大于 80% 且污染小于 5% 的代表性 MAGs 进行分析，发现它们都含有完整或几乎完整的三羧酸循环（TCA cycle）、糖异生和同化硫酸盐还原相关基因。在氮代谢方面，多个 MAGs 具备完整的异化硝酸盐还原和反硝化相关基因。此外，深海假单胞菌还具有吸收和合成相容性溶质（如海藻糖、四氢嘧啶）的潜力，以维持细胞的渗透压平衡。同时，它们拥有多种转运蛋白，能运输无机和有机物质，还具备降解多种复杂有机物质（如几丁质、芳香化合物）的能力，这在之前的研究中未被充分认识。
基因表达活跃 ：通过对三个宏转录组数据集的分析，发现所有 MAGs 都具有转录活性。表达的基因涵盖了 TCA 循环、电子传递链的相关复合物以及多种物质的转运蛋白。与海藻糖和四氢嘧啶生物合成相关的基因，以及芳香化合物降解相关的基因也有表达，这进一步证实了深海假单胞菌在碳氮循环中的重要作用。
研究结论与意义：解锁深海生态系统的新认知
综合上述研究结果，扩增子和宏基因组数据集表明假单胞菌在深海海沟广泛分布，MAGs 重建揭示了三个新物种，丰富了人们对假单胞菌多样性的认识。基因组潜力和比较基因组分析突出了假单胞菌适应高静水压力的策略，包括利用多种电子受体产生能量，以及通过生物合成和运输积累相容性溶质。结合宏转录组结果可知，深海海沟中的假单胞菌能够降解复杂有机物质，为自身提供能量来源，在深海海沟生态系统的生物地球化学碳氮循环中发挥着至关重要的生态作用。
然而，目前研究仍存在一些局限性。虽然确定了假单胞菌在深海海沟中的分布和代谢功能，但对于其在不同环境条件下的表达模式，还需要更多来自不同采样点的宏转录组数据集进行深入探索。不过，这项研究无疑为我们打开了一扇了解深海微生物世界的新窗口，为后续深入研究深海生态系统的奥秘奠定了坚实基础。它不仅增进了我们对假单胞菌多样性和代谢潜力的理解，更为研究深海海沟生态系统的碳氮循环提供了宝贵的见解，让我们对深海这一神秘生态系统有了更为深刻的认识。