海山沉积物趋磁细菌的多样性和进化起源研究

Seamounts are the ubiquitous and unique topography in the deep-sea environment. It has also been suggested that seamounts are biodiversity hotspots. This notion has given rise to several hypotheses which are still controversial. Heretofore, most studies have focused on the diversity of seamount fauna and microbial component associated with seamount hydrothermal vents. However, there is little known on microbial diversity in the seamounts sediment. Magnetotactic bacteria (MTB) represent a morphologically, phylogenetically, and physiologically diverse group of Gram-negative bacteria that biomineralize intracellular membrane-enveloped magnetosomes. Although they are widely distributed in sediments, our understanding of the distribution and diversity of MTB in seamounts sediment is still limited. In this program, through optical and electron microscope technique, phylogenetic and metagenomic analyses, we will show the distribution, population structure and diversity of MTB in seamounts sediments. Then the relationships between diversity of MTB and environmental factors will be discussed. Meanwhile, the evolutionary origins of special MTB will also be studied by the single-cell genomics analysis.

海山（Seamounts）是深海海底普遍又独特的地形之一，已经被广泛认为是一个集高生物量、高物种丰富度的热点区域，因此有关海山多样性物种来源的假说也很多，但还存在很大争议。目前多数研究都集中在动物方面，而对海山微生物的研究除了海山热液口之外的区域很少被涉及，尤其是针对海山沉积物中微生物的多样性研究更是鲜少被报道。趋磁细菌（Magnetotactic bacteria）是一类集形态、生理代谢和系统发育多样化，体内还能够合成由膜包裹的磁性纳米颗粒的革兰氏阴性细菌的统称。虽然它们在全球范围内广泛分布，但目前在海山这种特殊生境中的分布状况还很匮乏。本项目拟采用光学和电子显微技术、系统发育学和宏基因组学等方法研究该类细菌在海山沉积物中的分布、种群结构及多样性等特征；并结合环境因子的测定，分析其与环境因子的相关性。同时利用单细胞基因组学方法认识海山趋磁细菌的特殊种类及进化起源。

海山生态系统被认为是“海洋生命绿洲”之一，其蕴藏的物种和群落多样性既是研究的热点又是难点。趋磁细菌（Magnetotactic bacteria）是一类集形态、生理代谢和系统发育多样化，体内还能够合成由膜包裹的磁性纳米颗粒的革兰氏阴性细菌的统称。本项目采用显微观察、电镜、显微操作、分子生物学等技术，系统性地研究了不同海山沉积物中趋磁细菌的丰度、分布、种群结构特性以及与环境因子的相关性。结果显示两座浅海山（马里亚纳海山M2和卡罗琳海山CM4）的沉积物主要以珊瑚和有孔虫生物砂为主，活体观察发现趋磁细菌丰度较高，最高可达4.4×104个/dm3；形态多样，有球形、水滴状、螺旋状和杆状；磁小体以八面体的Fe3O4居多；鞭毛数目和排列方式特殊，有别于潮间带常见的；两座海山趋磁细菌的群落结构和物种多样性有其特异性，又有一定的连通性。另外几座深海山（麦哲伦海山和卡罗琳海山M5，M7）的沉积物以有孔虫砂和软泥为主，活体观察几乎未见趋磁细菌，磁收集到的通过电镜观察多数是体内包含镉磷颗粒的杆菌；高通量分析表明趋磁细菌的种群和物种多样性都较前两座海山低，但沉积物中都能观察到磁小体化石，侧面证实趋磁细菌的存在。以上结果暗示了趋磁细菌的分布格局与海山深度、沉积物类型密切相关；同时趋磁细菌对海山特殊生境有其适应性进化特征；并在种群结构和多样性方面既有一定的特异性又有一定的连通性。本项目的研究结果为深海趋磁细菌生态学研究提供了丰富数据、奠定了牢固基础，同时又为生物对深海生境的适应性机制研究提供了新思路和模式生物。