南海北部九龙甲烷礁冷泉表层沉积物的微生物群落结构和宏基因组学研究

The subseafloor of the northern South China Sea is rich in methane hydrate. The methane released from the hydrate will be consumed by microbes, which often leads to a cold seep ecosystem. However, how the microbes take part in the anaerobic and aerobic methane oxidation in the surface sediments is still an important scientific question. This project will study microbial communities and metagenomes of a cold seep near Jiu Long methane reef. Using pyrosequenced ribosomal RNA gene amplicons, we will uncover the composition of the communities and estimate species diversity in four surface sediment layers of the cold seep. Particularly, unique microbial groups will be examined to learn their taxonomic position. Metagenomic and metatranscriptomic analyses will help to elucidate the relationships between anaerobic methane oxidation and sulfur and nitrogen cycles in the different layers. This project will also help to understand the competition between anaerobic and aerobic methane oxidation processes at the uppermost surface sediment. Draft genomes of some microbial strains of interest will be reassembled to cast lights on their unique roles and evolutionary positions in subseafloor of South China Sea. This project may allow us to understand the molecular mechanisms of carbon, sulfur and nitrogen cycles mediated by microbes in cold seep.The microbial characteristics of the cold seep system in this project will help to explore methane hydrate regions in the South China Sea and to establish rules to protect the subseafloor ecosystem.

我国南海北部陆坡含有大量甲烷水合物。甲烷气体释放到水体的过程中被微生物固定吸收并形成海底冷泉生态系统。但是，微生物参与的甲烷厌氧和有氧氧化在表层沉积物是如何进行的依然是一个重要科学问题。本项目将对南海九龙甲烷礁附近的一个冷泉区进行微生物群落结构和宏基因组学研究。利用对核糖体RNA基因的高通量测序，将对四个表层沉积物中参与甲烷氧化相关的群落进行解析和比较。通过对这些层面的微生物宏基因组的研究，将进一步解释甲烷厌氧氧化与氮循环和硫循环的耦合关系，以及与最上层甲烷有氧氧化之间的协同关系。并且将利用各个层面的微生物宏转录组信息来验证宏基因组分析获得的结果。最后，还将重点分离一些特有优势微生物的基因组，并研究南海特有甲烷氧化功能基因及其可能来源。这项研究将揭示南海冷泉区微生物介导的基本元素循环过程的分子机制，为探寻南海陆坡甲烷水合物蕴藏区域和保护我国海底生态系统提供依据。

我国南海北部有很多海底冷泉生态系统。微生物参与的甲烷厌氧和有氧氧化过程在表层沉积物是如何进行的依然是一个重要的科学问题。基于16S rRNA基因扩增子的焦磷酸测序显示，表层（0-6 cm）沉积物优势种群为硫氧化剂细菌Sulfurimonas和古菌甲烷氧化菌ANME-1，而底层（8-14厘米）沉积物优势种群为硫酸盐还原菌细菌SEEP-SRB1，ANME-1和ANME -2。16S rRNA基因分析表明该冷泉区微生物多样性高，最主要的两大门类为广古菌门和变形菌门。16S rRNA基因群落结构和宏基因组功能基因分析表明在6-8cm处从底层到表层发生了硫还原作用向硫氧化作用的过渡。在表层沉积物中主要发生着由Sulfurimonas和Sulfurovum介导的与硝酸盐还原相耦合的硫氧化作用，以及ANME-1单独介导的甲烷厌氧氧化作用，而在底层沉积物中主要发生着与硫酸盐还原相耦合的甲烷厌氧氧化作用。.从宏基因组数据中获得了总共13个代表5种ANME类型的基因组草图。首次得到了三种ANME类型ANME-1b，-2b和-2c的基因组。ANME基因组是小基因组但并不属于精简类型。基因组草图中包含甲烷同化和二氧化碳固定的所有必需途径，但缺少已知的ANME基因组中存在的转录、碳水化合物、无机离子的转运和代谢相关的大多数基因。所有与氮和硫氧化物还原相关的基因都不存在于草图中，这表明它们对伴侣生物的同生依赖性。在所有基因组中鉴定出丙酸合成途径作为替代的新型碳流。 ANME-2类型中的Archaellum和细菌衍生的趋化性有利于适应甲烷和硫酸盐浓度通量波动。ANME基因组中功能基因的获得和丧失在冷渗区中同种ANME类型的遗传多样性和生态分化中发挥了重要作用。..我们从南海北部沉积物中获得了一些微生物类群。通过宏基因组测序，组装及分拣，获得了11个完整度在85%以上的微生物基因组，分属九个门，包括：Lokiarchaeota, Heimdallarchaeota, Regobacteria (TA06), Senitrabacteria (LCP-89)和新门Seatribacteria。Senitrabacteria细菌可进行硝酸盐，硫酸盐及硒酸盐的还原。而Seatribacteria可以还原硒酸盐，并能产氢。本研究中发现的微生物绝大部分可以进行固碳活动，如利用Wood-Ljungdahl途径