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引言

由于缺乏对深海微生物组、种群遗传学和生物化学的综合理解，针对羽流生物化学对海洋影响的研究进程受到较大的限制。

【资料图】

本次实验在相应的巡航中收集了热液羽流和周围背景样品，Guaymas盆地羽流和背景样品采用10 L CTD瓶采集，船上N2压力过滤，采用0.2µm孔径、142 mm聚碳酸酯膜采集微生物标本。

对于具有元转录组的环境样本，使用活动MAG覆盖率(由元转录组reads映射结果计算)作为输入，计算基于元转录组的微生物群落贡献信息。

实验中，在VizBin的人工检查基础上，进一步细化MAG，对某些MAG进行去污，使用<10%的污染阈值(即基因组冗余)和>50%的完整性来挑选mag。

通过利用微生物基因组，有助于明确生物地理、进化和代谢连通性之间的联系，并阐明它们对深海生物地球化学循环的影响。

在对来自7个大洋盆地的36个不同羽流样本进行观测分析后，我们发现硫代谢可定义羽流的核心微生物组，并驱动了微生物群落的代谢连通性。

硫主导的地球化学影响能源景观，促进微生物生长，而其他能源影响当地的能源景观，由此进一步证明了地球化学、功能和分类学之间联系的一致性。

羽流微生物种群多样性低，迁移历史短，从背景海水迁移后具有基因特异性模式，选择的功能包括营养吸收、有氧氧化、硫氧化以获得更高的能量，以及适应的应激反应。

本次实验结果为海洋硫驱动微生物群落及其种群遗传学适应地球化学梯度变化的变化提供了生态和进化基础。

一、基于深海热液喷口背景下的微生物群落硫化物氧化途径代谢连通性与微生物多样性

在全球分布的深海热液喷口羽流中，微生物组由还原热液喷口流体与氧化海水混合形成的氧化还原能量景观形成，它们的特征通常由如热液输入、营养物质和微量金属等喷口的地球化学来源决定。

深海热液喷口丰富且分布广泛，热液衍生的富含还原元素、化合物和气体的热流体与冷海水混合形成热液柱。

周围的微生物迁移到羽流中，并以大量还原剂为能量来源，使羽流成为微生物活动和地球化学转化的“热点”。

羽流构成了一个相对封闭的生态系统，依赖于以化学能为基础的初级生产，并且大部分不接受来自外部的能量输入。

所以我们可以将羽流作为一种理想的天然生物反应器，用于研究微生物组与生物地球化学之间的过程和联系，以及微生物适应能量丰富的羽流与能量匮乏的深海之间对比条件的潜在生态和进化基础。

热液羽流中微生物最丰富的能量底物包括还原性硫化合物、氢、氨、甲烷和铁。

其中硫是全球羽流中各种微生物的主要能量底物，硫柱中的硫转化主要是由还原性硫的氧化引起的，主要是硫化氢和单质硫。

硫的代谢途径包括硫化物氧化为单质硫(fcc, sqr)，硫氧化为亚硫酸盐(dsr, sor，和sdo)，硫代硫酸盐歧化(phs)为硫化氢和亚硫酸盐，硫代硫酸盐歧化为单质硫和硫酸盐(sox)，硫代硫酸盐氧化为硫酸盐(sox, tst，和glpE)，亚硫酸盐氧化为硫酸盐(sat, apr)。

最近在其他生态系统中的观察表明，单个微生物很少拥有一整套完整的硫化物/硫氧化途径，不过单个步骤通常分布在不同的群落成员中。

这表明硫氧化可能是一个微生物群落驱动的过程，依赖于代谢相互作用，并要求基于整个群落的整体视角重新审视硫代谢和生物地球化学。

这种方法扩大了我们对特定能量代谢相关微生物多样性的理解，包括热液羽流、深海以及其他区域的硫转化。

了解环境约束和选择如何塑造从背景海水迁移后羽流微生物种群的微多样性和遗传结构，可以为适应机制提供基础见解。这些见解还可以为未来预测微生物对海洋变化的反应提供信息。

本次实验中，我们研究了全球分布的热液羽流数据集，以定义核心羽流微生物组。

随后，我们对三个热液喷口(瓜伊马斯盆地、中开曼隆起和劳盆地)的基因组解析宏基因组学、亚转录组学和地球化学进行了合成。

本次实验揭示了群落结构和功能与生物地球化学的联系，揭示了羽流和深海群落的代谢连通性，以及丰富微生物种群的微多样性。

二、微生物群落样本信息、基因组分离和组学测序

对于Lau Basin样品，SUPR采集的样品分别采用孔径为0.8 μm和0.2/0.8 μm的SUPOR聚醚砜膜进行原位过滤，用于地球化学分析和微生物标本采集。

样品立即保存在RNAlater中，这些样品用0.2 μm孔径的SUPOR聚醚砜膜原位过滤微生物标本，保存在RNAlater淹水锥形小瓶中，并在- 80°C冷冻。

从相应的样品中提取合成元基因组DNA和元转录组cDNA，并进行HiSeq测序，获得的宏基因组(dna，标记为“D”)和亚转录组(cDNA，标记为“C”)的分布。

共利用47个热液羽流和背景16S rRNA基因数据集对热液羽流微生物组进行了分析，其中本研究获得了19个数据集。

对于只有宏基因组数据集的热液羽流和背景样品，从宏基因组中解析出16S rRNA基因序列，并根据这些序列的覆盖范围进行加权。

分类群汇总和主坐标分析(PCoA)，对该海域热液柱群落结构、生物地理格局和背景海水微生物群进行了划分。

利用属级分类群汇总表对36组热液羽流数据进行筛选，筛选出存在于>66%的热液羽流数据中、平均相对丰度>1%的属，得到核心热液羽流微生物组。

将同一热液地点的热液羽和背景宏基因组组合在一起，对于每个热液站点，分别将热液柱和背景读数映射到相应的组合。

通过羽流的Bam文件和单个组件的背景样本用于下游分组，随后对装配体进行基于MetaBAT的12种参数组合的分组。

在基于hmmscan搜索所有mag的RPs后，使用通用的16种核糖体蛋白(RPs) (L2-L6、L14-L16、L18、L22、L24、S3、S8、S10、S17和S19)的syntenic block来推断RP系统发育树。

单个RP通过MAFFT预先与本地自定义RP数据库进行对标，所得到的系统发育树以古细菌谱系为基础，在树的每个MAG上添加相应的功能性状。

解析细菌和古细菌的SSU序列，并对16S rRNA基因序列进行分类检查，由于污染的可能性高，导致分类结果与MAG系统发育不同的16S rRNA基因序列被过滤。

我们分别总结了基于宏基因组/元转录组的MAG图谱结果和所有MAG的功能注释，通过R包DESeq2计算所有宏基因组/元转录组样本中MAG分化模式和功能性状丰度的显著性检验（以调整p值< 0.05为显著性）。

根据元基因组/元转录组图谱结果，生成Sunburst图来描述MAGs的相对丰度，显著的Log2 Fold Change值标记为不同热液生态位(如羽流和背景)之间丰度差异的单个MAGs。

在微生物群落中寻找具有丰富功能、主要功能(包括固碳、反硝化、硫循环、氢氧化、甲烷氧化、好氧氧化、铁氧化和锰氧化等功能)和特定功能的类群。

平衡热力学反应路径模型用于预测海水与端元喷口流体混合产生的化学浓度和活度系数。

根据热力学平衡约束，允许沉淀矿物溶解，并允许其成分重新沉淀。

实验还计算了各环境的生物量和自由能，并可视化了它们在2 ~ 121°C温度范围内的相对丰度变化。

基于每种MAG的代谢预测、MAG基因覆盖率和每种环境下的表达水平，根据基因覆盖率/表达水平和每种分解代谢反应的自由能计算每个电子供体的能量贡献。

我们分别计算了各个样品的电子给体组分的贡献率，同时还考虑了电子受体的存在对能量贡献计算的影响。

为了简化水热条件，我们只包括两个主要的电子受体(O2和NO3−)，并使用这两个电子受体的比例来推断不同氧化条件下电子给体的能量贡献。

对于每个群落，基于反应/底物关系和每个反应的产能百分比建立了一个双部网络，保存了每个反应的羽流化学反应表。

由于不能直接计算算法复杂度，我们使用了一种称为块分解方法(BDM)进行估算，以计算每个节点复杂度贡献的摄动分析(ΔC)称为最小信息损失选择。

为了简化分析，我们从每个站点用不同尺寸的过滤器过滤收集的样本中读取数据，并将其合并为一个，以代表该站点的所有读取数据。

在确定热液环境中基因特异性选择性扫描环节，我们进一步将读取数据合并为两类，一类包含热液环境数据集(包括背景和羽流环境数据集)，另一类包含Tara Ocean样本(所有Tara Ocean样本数据集都合并在一起)。

经过上述读取定位和过滤后，计算热液和塔拉海洋环境之间的F(ST)(固定指数)，以识别整个基因组中等位基因频率偏态的基因。

为了证实这些基因是在热液环境中被特异性选择的，本次实验还增加了额外的要求:

(1)热液环境中基因核苷酸多样性<热液环境中核苷酸多样性基因组平均值;

(2)热液环境下基因N/S SNV比>热液环境下基因N/S SNV比基因组平均值;

(3)热液环境的基因核苷酸多样性< Tara Ocean样品的基因核苷酸多样性;

(4)热液环境的基因N/S SNV比> Tara海洋样品的基因N/S SNV比。

为了寻找具有迁移后被固定信号的硫代谢基因，我们使用了一套相对不那么严格的标准来筛选基因F(ST)值，而不是上面段落中的高F(ST)基因鉴定方法。

对于每一个含有MAGs的硫代谢基因(包括sat、aprA、sdo、氧化dsrAB和soxBCY基因)，所鉴定的基因需要满足以下条件:

(1)F(ST)值> F(ST)平均值(全基因组F(ST)平均值)，且F(ST)和F(ST)平均值均为正值;

(2)热液环境的基因核苷酸多样性< Tara Ocean样品的基因核苷酸多样性;

(3)热液环境中基因N/S SNV比> Tara海洋样品中基因N/S SNV比;

(4)热液环境和Tara Ocean样品的基因覆盖度均大于5倍。

尽管硫代谢基因在整个基因组中的选择性功率没有达到上述方法所显示的基因特异性选择性扫描的水平，但满足所有四个标准的基因都具有正的基因固定信号。

三、硫主导下的地球化学对于微生物群落及能源景观存在一致性与促进效果

我们利用来自全球热液喷口羽流的公开微生物组数据来定义核心羽流微生物组、研究羽流微生物组的结构、功能和活动，并且确定羽流微生物组与地球化学之间的联系。

为了研究核心微生物组，我们研究了来自全球7个海洋盆地的热液羽流(n = 36)和背景深海样本(n = 11)的16个S rRNA基因数据集。

在研究微生物组的结构、功能和活性的部分，我们重建了来自三个热液口的宏基因组组装基因组，绘制了一些样品中来自相同地点的配对亚转录组。

在此基础上，我们发现了分布在羽状体中的高流行度和相对丰度的属级类群——岩心羽流微生物组由14个微生物群组成。

接下来，我们通过选择本研究中隶属于同一分类群的mag来表征核心羽流微生物组的代谢谱。

这些生物在利用各种羽状基质方面表现出高度多样化的代谢潜力，包括HS-、H2、CH4、甲基化合物、亚砷酸盐和铁。

实验发现，岩心羽流微生物群的大多数成员可能来自海水，除此之外，我们还观察到少量的喷口烟囱、海底、地下栖息和内共生微生物可能被携带在羽流中。

以前的热力学建模研究表明，热力学模型和基于组学的生物地球化学估算在单个生态系统中是一致的。

根据地球化学参数和mag的功能剖面，我们进行了热力学模型和基于组学的生物地球化学估算的跨站点比较，以观察和反映独特的羽流地球化学特征对羽流微生物的影响。

在此基础上，我们还进行了生长速率分析，以识别和表征微生物能量贡献，它们在不同的羽流地球化学反应中具有更快的生长速率。

对于每个热液环境，每个电子给体的贡献分数在环中相应标记，总可用自由能和生物量被相应地标记为单个羽流。

根据每个电子给体反应的宏基因组丰度和每个反应的自由能产率计算每个电子给体的能量贡献、不同环境下电子给体的贡献比。

不同地点之间的对比表明，不同的地球化学特征支持了预测的能量景观。

换而言之，以高浓度普遍存在的能源往往对能源格局有很大的贡献。

Guaymas盆地端元流体中甲烷含量最高，此外，在Guaymas盆地的宏基因组数据集中也发现了甲烷氧化的显著贡献。

热力学模型和基于组学的生物地球化学估算还证明了还原硫是所有三个地点的主要能源。

不过，与预期有所差异的是，单个羽流地球化学条件因几种不同的次要能源(如铁、锰、甲烷和氢)而异，导致微生物介导的不同能量景观。

在点内比较方面，数据表明，对主要功能贡献最大的前3个分类群(包括固碳、反硝化、硫循环、氢氧化、甲烷氧化、好氧氧化、铁氧化和锰氧化8个类别)在中开曼隆起和劳盆地的烟柱和背景深层海水中基本共享，表明功能一致性，这与分类有关。

在羽流和背景深海之间，类群的丰度存在差异——类群的差异可能是功能分化的基础，它们都是由羽流地球化学刺激引起的。

我们的实验数据表明，烟柱微生物组适应了当地的地球化学环境，并证明了分类、功能和地球化学之间的一致性。

基于这些发现，我们假设硫氧化剂是利用羽状基质进行能量清除的主要群体。

硫氧化剂具有代谢可塑性，使它们能够将硫代谢与其他元素转化联系起来，并且它们对深海生物地球化学循环有重要贡献。

虽然硫氧化连接了整个功能网络中的其他代谢反应，并具有显著的能量产量，但其在整个网络复杂性中的作用，即硫代谢对整体羽流微生物代谢的影响，仍然是难以捉摸的。

为了解决这个问题，我们基于反应和产能百分比构建了网络，并研究了反应对网络复杂性的影响。

在网络中，每个反应都是一个组成部分，高ΔC(复杂性变化)反应是网络的关键特征。

这些ΔC值除两点外，大部分为正，这表明，除了两个反应节点外，所有这些反应节点都使系统远离随机性，并显著提高了整个网络的复杂性。

宏基因组提供了完整的基因组变异库，有助于解释精细尺度的进化机制。

我们比较了热液羽环境与更广泛的中上层海洋的宏基因组，并研究了每种MAG的种群遗传多样性。

通过比对可发现，很大一部分mag在标准化单核苷酸变异(SNV)计数、非同义/同义SNV替代比(N/S SNV)和全基因组平均R(2)方面具有相似的趋势。

热液柱SNV计数低于Tara海洋样品，SNV比值高于Tara海洋样品，平均R(2)高于Tara海洋样品，比对结果表明:

(1)烟羽中snv较少，种群多样性较低;

(2)微生物群落年轻化，迁移历史短，较高的N/S SNV比率则意味着，年轻的群体较少遭受净化选择以去除有害突变;

(3)种群不易发生重组,较高的平均R2反映了在全基因组尺度上较高的SNV连锁频率，表明群体成员之间的重组率较低。

总结

硫氧化是热液羽流的主要产能反应，在本次实验中我们观察到独特的羽流地球化学也影响了三个地点的能量景观。

其他重要的能源，如甲烷和氢，在热液羽流的能量景观中也扮演着重要的角色。

羽流环境主要的生产来源完全来自热液流体中携带的基质。

本实验中定义的核心羽流微生物组的存在表明，热液羽流中的一般生物地球化学特征-能量和底物供应-支持这些全球分散的世界性微生物的生长。

地核羽流微生物群最有可能是全球热液羽流共享的基于硫氧化的能量景观的结果。

我们观察到羽流环境中主要能量贡献类群的丰度增加，生长速率提高，这支持了微生物组对地球化学影响的能量景观做出反应的解释，其中一些分类群由羽流基质提供燃料。

在羽流环境中，地球化学定义了基质和能量可用性，是微生物群分布和丰度的关键控制因素。

在这种情况下，某些微生物会由于适应机制而受到环境的促进，反过来，微生物群落的结构和功能也反映了当地的环境条件。

我们所证明的一致的分类-功能-地球化学联系表明，基于组学的分析反映了羽流微生物的整个遗传和功能库，可以成为揭示环境与微生物组之间关系的有力工具。

硫代谢特征表明，虽然硫氧化反应是所有烟羽中mw值最高的反应，并且硫氧化基因高度表达，但参与这些过程的主要种群(含MAGs的dsrAB和sdo)在不同的热液喷口位置有所不同。

从广义上讲，这表明了不同环境下核心硫氧化剂的不同组成，暗示了微生物群落结构的地方性。

核心硫氧化剂可以通过随机过程从远洋海洋中获得，该随机过程受休眠能力的影响，以提供有弹性的种子微生物，洋流克服扩散限制，以及对营养和温度波动的适应策略。

这些微生物可以作为种子库分布在全球海洋中，由羽流硫底物引发，随后成为活性硫氧化剂并在热液羽流中茁壮成长。

参考文献

[1]周国英，《基于微生物共现网络分析的人工湿地碳硫循环机理研究》

[2]陈俊松,《湖泊硫循环微生物研究进展》

[3]曾湘,《深海热液区微生物矿化过程的功能群和分子机制》

[4]徐鈜绣,《南大西洋深海热液区可培养硫氧化微生物多样性及其硫氧化特性》

[5]马力,《地热生境中硫循环微生物研究进展——对早期地球生命过程的启示》

[6]李新华,《三江平原小叶章湿地生态系统硫的生物地球化学循环》

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