揭示珠峰马沟环境微生物的物种特异性与代谢共性

近日，上海交通大学深部生命国际研究中心肖湘团队与兰州大学泛第三极环境中心刘勇勤团队合作，首次比较了珠穆拉玛峰和马里亚纳海沟这两种地理隔离的不同极端环境中微生物群落物种和代谢的特征，揭示了微生物物种的高度环境特异性，并出乎意料地发现主要代谢功能在不同极端环境微生物中高度保守，为深入理解微生物及其生境的关系提供了前所未有的极端比较案例。本研究通过比较最高和最深环境中的微生物，揭示了微生物多样性的潜在原理：虽然微生物群落的组成具有环境特异性，但主要代谢功能保守，不同极端环境适应存在“共适应”机制。

该研究成果以“Comparison of prokaryotes between Mount Everest and the Mariana Trench”为题发表在国际微生物组领域权威杂志《Microbiome》上。兰州大学刘勇勤教授和中科院青藏高原研究所张志好为共同第一作者，上海交通大学深部生命国际研究中心肖湘教授和赵维殳助理研究员为本文的共同通讯作者。

珠穆拉玛峰是地球上海拔最高的环境，海拔高度为8848.86米，日照强烈，常年冰雪覆盖。而马里亚纳海沟是地球上最深的地方，马里亚纳海沟最深处挑战者深渊深达11000米，高压、营养贫瘠，黑暗无阳光。两种环境虽都较为寒冷，两类极端环境在地理位置上完全隔绝，且理化参数截然不同。原核生物为两类极端环境的主要生命形式。这带来了一个看似异想天开的问题：生活在珠穆朗玛峰的原核生命与生活在马里亚纳海沟的原核生命有什么异同？

本研究通过宏基因组测序分析，首次比较了马沟和珠峰的微生物群落，发现这两类极端环境中的微生物在群落分类组成、基因组大小、GC含量和预测的最适生长温度方面有着显著差异。在属水平，两类环境中共有微生物属只有8个，而种水平只有一种（Comamonas tsuruhatensis）；珠峰微生物基因组显著大于马沟微生物（珠峰组中位数大小~4 Mbp，马沟组中位数~3 Mbp，P< 1e−5）；珠峰微生物基因组GC含量略大于马沟微生物（珠峰组中位数~ 57%，马沟组中位数~ 56%，P< 0.05）；两种环境中微生物预测的最适生长温度则是马沟组显著高于珠峰组（珠峰组25°C，马沟组40°C，P < 0.05）。

令人意想不到的是，尽管在群落组成、基因组和生理特征上有着显著差异，两种环境中微生物的代谢能力表现出惊人的共性。珠峰和马沟的样本间有超过90%的代谢模块重合，珠峰和马沟特异性代谢模块分别为1%和8%。唯一显著的代谢功能差异是在CO₂固定途径上，珠峰微生物群落是光合自养型，而马沟中微生物群落是化学自养型。两种极端环境中大多数共有代谢是由不同的微生物种群完成的，这其中甚至包括了一些通常认为具有特殊功能的代谢途径，例如各种难降解有机物的多功能降解、重金属代谢（例如 As 和 Se）、抗逆性和抗氧化。这一结果暗示了微生物在元素循环中的整体一致性作用，微生物可能存在着适应不同极端环境的通用策略：不同微生物有相似的基本代谢架构，使它们无论在何种极端环境中，都能发挥相同的代谢功能来应对看似不同的挑战，这或许也解释了不同种类微生物代谢功能上的冗余。例如，珠峰的强烈紫外线和马沟超高压，这两种环境特征看似不同，但本质上都会对细胞造成过氧化损伤，而ROS抗氧化途径在马沟珠峰不同的微生物种类广泛存在，正是对应了过氧化损伤的挑战，这发现佐证了研究团队前期提出的不同环境胁迫具有“共适应”策略的理论。

该研究获得了国家自然科学基金创新群体（41921006）、青年基金（42106087）和区域项目（U21A20176）的资助，以及上海交通大学“深蓝计划”（SL2021PT103）、上海交通大学“新进青年教师启动计划”(21X010500755)的资助。

图1 珠穆朗玛峰（ME）和马里亚纳海沟（MT）微生物群落分类组成和功能多样性。A.ME和MT的微生物分类组成比较。种的丰度和基因组clean reads相比。B.ME和MT功能多样性比较。KO丰度和基因组clean reads相比。C.ME组内，MT组内和两组间功能和分类组成差异比较。Bray-Curtis 距离反映了功能和分类组成的差异。统计显著性通过Wilcox检验计算（*p 值< 0.05；**p值< 0.001；***p值< 1e-5），而NS表示无显著性。D.ME和MT之间的分类组成和功能Sankey网络。对648个具有代表性的MAG（质量中等以上，删除冗余后）。分类比较以科为单元，KEGG代谢模块来反映功能。ME特有的类群和功能用红色表示，MT特有的用蓝色表示，而共有的类群和功能用紫色表示。

图2 珠穆拉玛峰（ME）和马里亚纳海沟（MT）之间主要微生物代谢功能比较的示意图。ME特异性代谢通路为红色，而MT特异性代谢通路为蓝色。OM，有机物。ROM,难降解有机物

原文链接：link.springer.com/article/10.1186/s40168-022-01403-y

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