南极冰下微生物种群水平的高压适应性机制研究

Antarctic sub-glacial ecosystem has recorded the historical environmental information along its evolutionary path, thus it is the window to study the glacial movement and global climate changes. If the microorganisms have been covered by large scale of ice sheet, they will leave tracts to show that they have experienced the high-pressure stress caused by the thick ice. In this project, we will use the Antarctic deep-sea sediment as well as the sub-glacial frozen soil as the inocula, and apply low-temperature and high-pressure incubation to simulate the environmental condition covered by ice-sheet. By an integrated analysis of metagenomics and metaproteimics on the samples before/during/after the incubation, we will try to illustrate the microbial responds to the high-pressure stress within the Antarctic ecosystems. Moreover, based on the omics information, we will also try to isolate the piezophilic microorganisms which are of Antarctic origin, with the assistant of the high-pressure incubation system.This project is filling the gap in the Antarctic research, and will be helping to obtain the bio-resource from Polar Regions thus certainly enhance the voice of our country in the international affairs regarding to the Polar Regions.

南极冰下生态系统在其演化中记录了历史时期环境变化的信息，是我们研究极地冰川移动和全球气候变化的窗口。是否经历过由于冰川厚度而带来的高压环境胁迫，是判断极地微生物是否经历过大规模冰川覆盖的关键指标。在这一项目中我们将以南极深海沉积物和南极冰川前沿冰下冻土作为生物材料，在实验室模拟冰川覆盖的低温高压培养条件，结合环境基因组和环境蛋白质组分析，阐述南极微生物生态系统对压力的应对过程；回答南极环境中与压力适应相关的嗜压微生物、关键功能基因/元件的来源如何，及其是否表现出显著的“孤立性”这些关键科学问题。同时根据组学信息，利用高压培养技术尝试富集分离南极环境中典型嗜冷嗜压微生物，为极地研究和极端微生物研究提供生物材料。该领域是目前极地研究的空白，本研究有助于获取更多的极地生物资源并提升我国在极地国际事务上的话语权。

在本项目中，课题组主要围绕极地微生物的环境适应性机制，特别是对压力的适应性，展开研究。主要研究内容包括：1）对南极、北极的冰川、冻土、河流分别进行了现场调查与取样，获得了高质量的环境参数数据与环境样本两百余份用于后续的实验室培养与精细研究；2）分离培养了嗜压、耐压的真菌6株、细菌3株，为后续研究提供了生物材料；3）建立了适用于极端环境样本的宏基因组、宏转录组、宏蛋白质组分析方法；4）通过转录组分析结合高压培养，解析了新分离极地细菌Halomonas titancae ANRCS81的压力适应性与其抗氧化系统相关；5）对来源于极地的环境样本进行受控生态试验，测定冰川下沉积物中潜在的产甲烷速率为10-104 pmol/g/day且关键微生物类群为嗜冷氢营养型甲烷产生古菌，甲烷代谢受甲烷分压与培养压力协同调控，从而定量化阐述在气候变化的大背景下微生物代谢对环境变化的响应及其在极地碳氮循环中的贡献；6）建立生态学模型，阐述极地冰川前沿微生物生态系统的发育过程受确定性过程与随机过程调控的机制，证实冰厚（压力）是影响微生物群落结构的主要因子。基于以上研究成果发表SCI论文5篇，另有3篇整理投稿中。培养研究生7人。项目组参加国内外学术交流十余人次。这一研究是对极地微生物高压适应性解析的首次尝试，为深入理解极地微生物及其所在生态系统的演化与环境适应性机制提供了基础数据和生物材料。