低能量環境中冷泉微生物的能量分配機制研究

《低能量環境中冷泉微生物的能量分配機制研究》是依託上海交通大學，由張宇擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：低能量環境中冷泉微生物的能量分配機制研究
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：張宇
• 依託單位：上海交通大學

項目摘要

冷泉是深海中典型的化能合成支撐的低能量生態系統。由甲烷厭氧氧化古菌（ANME）主導完成的甲烷厭氧氧化（AOM）過程是目前已知能夠維持生命的低能量極限反應過程之一，同時卻是支撐整個冷泉生態系統的能量來源，對地球元素循環以及海底地形的塑造都有重要意義。申請者在前期工作中利用自主研發的深海冷泉模擬設備對卡迪茲灣泥火山樣本進行多年的連續流動培養獲得了ANME富集物，並通過組學分析首次解析了AOM的反應途徑。在這一項目中，申請者針對冷泉生態系統中的能量分配機制這一國際焦點問題，以ANME富集物為生物材料，通過環境模擬技術控制培養環境中的能量供應，利用組學分析手段對比微生物生態系統的交替和固定，結合生理實驗驗證ANME細胞內部代謝途徑上的轉化，闡述低能環境中冷泉微生物的能量分配策略。通過這一研究，我們有望建立低能量環境中冷泉微生物生態系統的能量分配模式圖，深化對低能量環境微生物生存策略的理解。

結題摘要

本項目聚焦甲烷厭氧氧化古菌ANME介導的甲烷厭氧氧化（AOM）這一冷泉微生物的核心代謝過程，嘗試解析冷泉微生物的高壓適應性及其在低能量環境中的能量分配機制。通過環境模擬技術控制培養環境中的能量供應（主要體現在甲烷分壓），以前期工作基礎中獲得的ANME-2富集物作為生物材料進行12個月的連續流動高壓培養（8,15,30 MPa），利用組學分析手段對比微生物生態系統的交替和固定，獲得了ANME-2在不同甲烷分壓和培養壓力下的關鍵生理數據，以及相應的群落組成變化；利用生物反應器技術對來自泥火山、海水湖等環境樣本進行長周期培養分別得到了ANME-1和ANME-3為主導的冷泉富集物，為全面理解ANME古菌的代謝特徵和生態功能提供了新型的優質生物材料；利用高壓反應器技術檢測ANME-1和ANME-3富集物在不同的環境能量和壓力下的代謝活性及群落演替，獲得了ANME-1和ANME-3的關鍵生理數據，發現了ANME-3的壓力敏感性，發現了與AOM過程相關聯的硫循環受甲烷分壓影響；通過宏基因組分析得到了高質量的ANME-2a基因組信息（完整度99.35%，污染度1.31%），發現其代謝甲基類物質、乙酸、乙醇等多種小分子有機物的潛能，特別是將關鍵基因異源表達後得到了具有活性的蛋白，據此提出AOM過程中具有小分子有機物產生並以此為能量傳遞載體以支撐異養微生物群落的假說。根據本研究的結果，綜合分析ANME-1,2,3的生理特性及其所在微生物群落受甲烷分壓和培養壓力的影響，將有助於我們揭示不同種類ANME的分布規律及評估其對應的對冷泉環境中甲烷通量的貢獻；綜合分析群落組成和ANME的代謝通路受甲烷分壓的影響，有助於我們進一步理解以冷泉為代表的低能量環境中微生物的能量分配策略。