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深海蕴藏着约75%的原核生物量,占全球海洋原核生物生产力的一半以上,是生物圈中有机碳再矿化和长期储存的重要场所。过去几十年,科学家已经对深海多种特殊生境(例如:深海海山、热液喷口和冷泉)开展了较大量的研究工作,取得了很多重要进展。然而,由于调查技术的限制,人类对深海中深度超过6000 m的深渊区仍缺乏认识,使其成为目前地球上人类了解最少的海洋环境。已开展的少量研究显示,深渊海沟沉积物具有远超普通深海环境的有机质含量和微生物碳周转活性,是深海中微生物栖息和降解有机质的“热点”,对海洋有机碳矿化及深海碳元素的生物地球化学循环过程具有重要的影响。然而,目前对深渊沉积物中微生物的认识还十分有限,已有的研究主要是基于DNA技术的总群落结构和总体功能研究,还不清楚深渊沉积物中具有代谢活性的微生物群落结构、主要微生物活性贡献和不同活性类群之间的相互作用。本研究论文针对这些前沿科学问题,以马里亚纳海沟(MT)和玛索海沟(MST)作为研究区域,以16S核糖体RNA基因(r DNA)和核糖体RNA(r RNA)作为双重分子靶标,研究深渊海沟沉积物中原核生物总群落和活性群落的结构,以此揭示:(1)深渊沉积物中原核生物总群落和潜在活性群落的多样性及物种组成,(2)深渊沉积物中原核生物中新物种的比例,(3)深渊沉积物中潜在活性原核生物群落的组成和空间变化,(4)深渊沉积物中潜在活性原核生物群落的相对活性及其相互作用。通过将检测得到的16S r RNA和r DNA序列与NCBI和SILVA数据库中已有序列进行比较,本研究论文首次评估了深渊沉积物中原核生物群落的新物种比例。结果显示,在97%相似性水平下,马里亚纳海沟和玛索海沟的r DNA和r RNA文库中平均有32.30%的OTUs为新物种;而以99%为相似性阈值时,两条海沟沉积物中微生物群落的新物种比例平均达到64.08%。这些结果表明海沟沉积物中存在较高比例的新物种,意味着深渊海沟可能是微生物新物种的储存库,支持了“地形隔离和极端的环境条件会导致深渊区新物种的产生”的假说。微生物群落β多样性分析发现,海沟沉积物中微生物总群落(r DNA)和潜在活性群落(r RNA)的组成结构存在着显著的差异,并且不同分子靶标(r DNA与r RNA)之间的差异甚至大于不同深度、不同海沟或不同采样时间之间的差异。同时,对深渊沉积物中不同微生物类群的r RNA频率和r DNA频率之间的对应关系分析发现,许多在微生物总群落中具有高相对丰度的类群,在相应的r RNA文库中所占比例较低,说明在海沟沉积物中的微生物活性潜力与其在总群落中的相对丰度不一致,高丰度类群未必是参与深渊沉积物中主要生态功能的重要类群。本研究论文首次对深渊海沟沉积物中潜在活性原核生物群落进行了共线性网络分析。结果显示潜在活性类群之间存在着紧密的相互作用关系和高度模块化的分布特征,说明海沟沉积物中存在高度多样化的微生态位和结构化的微生物群落。同时,通过对活性微生物群落组成结构和网络拓扑结构的深入分析,成功鉴定出可能对深渊海沟沉积物中有机碳降解等生态功能具有重要影响的高活性类群和网络关键物种。主要包括芽单胞菌门(Gemmatimonadetes)、放线菌门(Actinobacteria)、SAR202 clade、JG30-KF-CM66 clade、α变形菌纲(Alphaproteobacteria),其中,绿弯菌门(Chloroflexi)和芽单胞菌门是在已检测深渊沉积物中活性潜力最高的类群,且其中多种成员被鉴别为互作网络的关键物种,说明这些微生物对海沟原核生物群落的生态功能具有重要贡献。此外,分析发现多种潜在的烷烃降解细菌,如SAR202 clade、动性杆菌属(Planomicrobium)、黄色单胞菌目(Xanthomonadales)和厌氧绳菌科(Anaerolineaceae)等具有较高的活性潜力且占据互作网络的关键位置,预示着烷烃降解可能是深渊海沟有机碳降解的重要途径。此外,本研究论文分析了马里亚纳海沟沉积物中微生物总群落和潜在活性群落的垂直变化和年际特征。结果显示其中一些潜在活性类群的丰度在沉积物10cmbsf(centimetres below seafloor)前后出现了显著变化,主要是JG30-KF-CM66clade、SAR202 clade、厌氧绳菌科、放线菌门和Phycisphaeraceae,在10 cmbsf以深中,这些活性类群的相对丰度迅速降低。同时,潜在活性群落的结构组成存在年际差异,而总群落之间的年际差异并不显著,以Dehalococcoidia、Planctomycetacia和Hydrogenedentia为主的活性类群,其相对丰度随时间变化显著增加。本研究论文是首次确定了深渊海沟沉积物中潜在活性微生物群落的结构组成,新物种的比例及活性群落的共线性网络。研究结果有助于人类更加深入地理解深海及深渊中的微生物生命过程,增进对深渊海沟中发生的生物地球化学循环和潜在微生物驱动机制的理解,为进一步阐释深海碳循环理论奠定基础。