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上海交大深部生物圈古菌揭示生命起源

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来源: 作者: 2019-05-16 19:30:36

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上海交通大学微生物团队(第二排左五为王风平)

深潜归来(右1为王风平)

近年来,科学家在海底及海底沉积物中发现了多种古菌,并根据其形态及生物化学特征对古菌展开了定性分类研究。

生活在阳光下,我们看惯了飞禽走兽、树木花草,不会对“万物生长靠太阳”产生怀疑。最近几十年,随着海洋科技不断发展,科学家们发现在海洋底部一些黑暗的极端环境下,也有微生物活动的迹象。

最近,上海交通大学微生物海洋学实验室教授王风平领导的研究团队在《自然—微生物学》(Nature Microbiology)上发表文章,解析了深部生物圈一类重要新古菌门——“深古菌”中部分类群的特殊代谢机制和生物地球化学功能,为科学家查明初期生命起源打开了窗口。该项研究得到了国家自然科学基金(批准号、、、等)的支持。

“深部生物圈”的生命密码

过去几十年里,随着美国深海钻探计划(DSDP)和大洋钻探计划(ODP)的实施,科学家们发现,海洋底部及沉积物中有微生物活动的迹象。

1977年,美国阿尔文(A“工业4.0”和“中国制造2025”已开始对接
lvin)号深潜器首次在太平洋的加拉帕戈斯(Galapagos)洋中脊发现了深海热液喷口和热液生态系统。“从初期偶然性的海底勘测,到逐渐通过大洋钻探项目来系统组织开展的系统性探测,人类已经认识到地球上存在两个大规模的生物圈。”王风平告知《中国科学报》,“一个是我们所熟知的由光合作用保持的地表生物圈,一个便是存在于地球深部由化能作用支持的黑暗深部生物圈。”

由于探测手段的发展,科学家对“深部生物圈”的认识才刚刚开始。深海古菌是深部生物圈最重要的发现之一。多年来,研究者已发现,深海古菌产生甲烷、畏惧氧气,并能在高盐、高温的极端条件下生长。研究者们认为谁在“主宰”沙尘暴?
,古菌有可能是地球上最古老的生命。

“围绕深海古菌的研究,将丰富我们对生命极限和起源的认识和理解。”王风平表示。

首次命名“深古菌”

近年来,科学家在海底及海底沉积物中发现了多种古菌,并根据其形态及生物化学特征对古菌开岳阳打造宜游江湖名城花鸟舟情让游客流连忘返
展了定性分类研究。而高通量测序和宏基因组技术的不断发展,则让科学家获得了更多的定量研究成果。

由日本科学家发现的一种还没有命名古菌吸引了王风平的注意。“从1999年发现到2013年,都没有一篇关于它的论文。”她说。这类古菌生长异常缓慢,难以在实验室实现培养。并且细胞体积偏小不宜检测(直径约0.4~0.6微米的球状颗粒),因此其研究进展非常缓慢,科学家对它几近一无所知。

王风平在平常研究工作中,从许多来自不同地点的样品中发现了这种古菌的存在。“不光在海洋深部,就是我们生活的环境中,也发现了它。”王风平说。

2013年,王风平小组发现,这类古菌在系统发育上处于一个新分支,显著不同于目前分类已确定的所有古菌门类。“它代表了一类自然界比较古老的古菌,因此,我们提议将MCG古菌归类于一个全新的门类,命名为‘深古菌门(Bathyarchaeota)’。”王风平表示。

“深古菌”成为目前首个由中国学者提议的古菌门分类。

首次发现自养乙酸合成

据推算,“深古菌”在自然界的含量约为2~3.9×1028个细胞,是地球上含量最丰富的微生物之一。由于其广泛分布,研究人员推测,它可能具有丰富的代谢形式。

随后,研究团队与深圳大学教授李猛和美国伍兹霍尔海洋研究所教授Stefan Sievert合作,成功解析了深古菌部分类群的独特代谢形式。发现其同时具有降解难降解有机化合物例如芳香烃化合物、几丁质、纤维素等的代谢途径和利用无机碳自养合成乙酸的途径,提出深古菌是海洋沉积物中碳循环和生态系统的核心驱动者。

“我们先从深古菌的基因中找到了能够自养乙酸合成的基因片断,并克隆了‘乙酸激酶’的基因,验证了这一功能。”王风平告诉《中国科学报》,“乙酸可以作为能源支持生物生长,例如古菌可以利用乙酸合成甲烷,很多细菌可以利用乙酸异养生长。”

这是科学家首次发现并证实古菌具有自养产乙酸的代谢方式。

科学基金:为交叉学科指引方向

王风平坦陈,从事基础研究的历程与国家自然科学基金密不可分。

2002年,王风平回国后来到国家海洋局第三海洋研究所工作。由于对基础研究感兴趣,王风平只花了两年时间便获得了国家自然科学基金面上项目的支持。“当时,我的研究方向在几丁质的降解。”她说。

随后,王风平将大量精力放在深部生物圈的科学问题上。2009年,她还曾登上阿尔文号,在以“深海热液口的黑暗生命研究”为主题的航次中,她在瓜伊马斯海盆下潜到2012米深,成为当时下潜最深的中国女科学家。

2013年,王风平参与了国家自然科学基金重大研究计划“南海深部计划”,主要承担有机质转化和碳循环相关的研究课题。在她看来,如今在深古菌上的收获,与该计划中的研究分不开。

两年后,王风平以生物学家的背景,取得了国家杰出青年科学基金的支持。“我是生物学家的背景,得到的是国家自然科学基金委员会地学部的支持。”在她看来,正是科学基金对交叉学科基础研究的支持,引导了科学家在深部生物圈上不断取得突破。

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