低能量环境中冷泉微生物的能量分配机制研究

Cold-seep is a typical low-energy chemosynthetic ecosystem in deep-sea. Anaerobic oxidation of methane (AOM) mainly mediated by anaerobic methane-oxidizing archaea (ANME) is the primary energy source supporting the entire cold seep ecosystem, which is as well as of great importance in geobiochemical circulation and seafloor's landscape formation. Surprisingly, AOM is also one of the reactions generating the lowest bioavailable energy to sustain life. Therefore the mechanism of energy allocation among cold-seep microorganisms is one of the greatest enigmas. In previous studies, the applicant has developed an in vitro simulation system on cold-seep environment and successfully obtained an ANME enrichment from a Mud Volcano sample in Gulf of Cadiz through a long-term continuous cultivation. By applying omics analysis on this enrichment, the applicant has demonstrated the AOM process as a reversal of methanogenesis. In this study, the applicant will continue the investigation on this ANME enrichment, using an integrated approach including in vitro simulation on cold-seep environments with low-energy supply, omics analysis to monitor the community dynamics driven by a shift of bioavailable energy, and physiological tests to verify the energy metabolism of ANME predicted by bioinformatics. From this study, the applicant is aiming describe the energy allocation mechanisms among cold-seep microorganisms and improve our knowledge on life strategy of microorganisms from low energy environments.

冷泉是深海中典型的化能合成支撑的低能量生态系统。由甲烷厌氧氧化古菌（ANME）主导完成的甲烷厌氧氧化（AOM）过程是目前已知能够维持生命的低能量极限反应过程之一，同时却是支撑整个冷泉生态系统的能量来源，对地球元素循环以及海底地形的塑造都有重要意义。申请者在前期工作中利用自主研发的深海冷泉模拟设备对卡迪兹湾泥火山样本进行多年的连续流动培养获得了ANME富集物，并通过组学分析首次解析了AOM的反应途径。在这一项目中，申请者针对冷泉生态系统中的能量分配机制这一国际焦点问题，以ANME富集物为生物材料，通过环境模拟技术控制培养环境中的能量供应，利用组学分析手段对比微生物生态系统的交替和固定，结合生理实验验证ANME细胞内部代谢途径上的转化，阐述低能环境中冷泉微生物的能量分配策略。通过这一研究，我们有望建立低能量环境中冷泉微生物生态系统的能量分配模式图，深化对低能量环境微生物生存策略的理解。

本项目聚焦甲烷厌氧氧化古菌ANME介导的甲烷厌氧氧化（AOM）这一冷泉微生物的核心代谢过程，尝试解析冷泉微生物的高压适应性及其在低能量环境中的能量分配机制。通过环境模拟技术控制培养环境中的能量供应（主要体现在甲烷分压），以前期工作基础中获得的ANME-2富集物作为生物材料进行12个月的连续流动高压培养（8,15,30 MPa），利用组学分析手段对比微生物生态系统的交替和固定，获得了ANME-2在不同甲烷分压和培养压力下的关键生理数据，以及相应的群落组成变化；利用生物反应器技术对来自泥火山、海水湖等环境样本进行长周期培养分别得到了ANME-1和ANME-3为主导的冷泉富集物，为全面理解ANME古菌的代谢特征和生态功能提供了新型的优质生物材料；利用高压反应器技术检测ANME-1和ANME-3富集物在不同的环境能量和压力下的代谢活性及群落演替，获得了ANME-1和ANME-3的关键生理数据，发现了ANME-3的压力敏感性，发现了与AOM过程相关联的硫循环受甲烷分压影响；通过宏基因组分析得到了高质量的ANME-2a基因组信息（完整度99.35%，污染度1.31%），发现其代谢甲基类物质、乙酸、乙醇等多种小分子有机物的潜能，特别是将关键基因异源表达后得到了具有活性的蛋白，据此提出AOM过程中具有小分子有机物产生并以此为能量传递载体以支撑异养微生物群落的假说。根据本研究的结果，综合分析ANME-1,2,3的生理特性及其所在微生物群落受甲烷分压和培养压力的影响，将有助于我们揭示不同种类ANME的分布规律及评估其对应的对冷泉环境中甲烷通量的贡献；综合分析群落组成和ANME的代谢通路受甲烷分压的影响，有助于我们进一步理解以冷泉为代表的低能量环境中微生物的能量分配策略。