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深海是全球最大的生态系统,根据深度可分为深层区(1000-3000m),深渊区(3000-6000m)和超深渊区(6000-10000m)。深海是一个高压、低温(除了海底热液口)、黑暗及寡营养的多重极端环境,深海环境被认为是研究地球原始环境的一个窗口。压力作为深海最显著的环境因子,是如何影响深海微生物及其群落结构的,仍然是一个值得研究的重要问题。因此研究深海嗜耐压微生物群落结构及其与环境因子的相互关系,分析嗜耐压菌对压力等极端环境的适应机制,这对于生命的起源和演化这一重大科学问题具有重要意义。本文利用目前国际上最先进的载人潜水器“蛟龙号”采集的太平洋雅浦海沟超深渊与深渊沉积物样品,采用不同的深海原位模拟培养条件,研究嗜耐压微生物的群落结构特征及其与环境因子的关系;并利用发现的深海耐压新种,探索它的深海极端环境适应机制。本文通过不同压力、营养和传代培养雅浦海沟五个不同站位的沉积物样品,分析研究不同富集条件下嗜耐压微生物的群落结构,并与未培养的原位微生物群落结构对比分析,发现高压低营养条件的富集产物多样性丰富,且与原位微生物群落结构最接近。同时压力是影响富集培养原位微生物的最大因素,其次是营养。雅浦海沟耐嗜压微生物群落结构主要包括奇古菌门(Thaumarchaeota)的Nitrososphaeria纲和变形菌门(Proteobacteria)的γ、α和β类群,以及微量的绿弯菌门(Chloroflexi)的S085类群和浮霉菌门(Planctomycetes)的Phycisphaerae纲。雅浦海沟沉积物嗜耐压微生物中,最大的优势类群是奇古菌门(Thaumarchaeota),且90%属于Nitrososphaeria纲Nitrosopumilaceae科。奇古菌门(Thaumarchaeota)是典型的氨氧化古菌,还可固定二氧化碳,因此奇古菌(Thaumarchaeota)在雅浦海沟生态系统的C和N循环中扮演着重要的角色。雅浦海沟深渊区和超深渊区的微生物营养类型的分布具有明显的差异:从深渊区到超深渊区,化能自养菌逐渐减少,异养菌逐渐增加;尤其是异养的γ-变形菌纲(Gammaproteobacteria)和芽孢杆菌纲(Bacilli)在超深渊区聚集。两个区域的样品经过高压低营养富集培养后,微生物群落结构也有较大的差异:变形菌门(Proteobacteria)的γ类群在深渊区含量明显增加;奇古菌门(Thaumarchaeota)的Nitrosopumilacea类群和绿弯菌门(Chloroflexi)的SAR202_clade在超深渊区含量明显增加。为了获取更多的深海微生物,本论文不仅选择了太平洋雅浦海沟的沉积物样品,还选择了西南印度洋的沉积物样品,通过不同的温度、压力和营养等培养条件进行富集,然后在常压条件下分离纯化,共得到1000余株耐压细菌,其中8株为耐压新种,包括耐压海洋芽孢杆菌(Oceanobacillus piezotolerans)YLB-02T,雅浦赖氨酸芽孢杆菌(Lysinibacillus yapensis)YLB-03T,耐压芽孢杆菌(Bacillus piezotolerans)YLB-04T,耐压海洋单胞菌(Marinomonas piezotolerans)YLB-05T,嗜冷耐压希瓦菌(Shewanella psychropiezotolerans)YLB-06T和YLB-07T,广嗜冷希瓦菌(Shewanella eurypsychrophilus)YLB-08T和YLB-09T,它们都可以生长在0.1-50MPa。这些新获取的耐压细菌,不仅丰富了深海耐嗜压微生物资源,还为探索深海微生物的耐嗜压机制提供了科研基础。获取的耐压微生物资源中,γ-变形菌纲(Gammaproteobacteria)最多,其中有4株嗜冷耐压新种,因此选择嗜冷耐压希瓦氏菌(Shewanella psychropiezotolerans)YLB-06T作为代表,研究其环境适应机制。通过进化分析发现,希瓦氏菌从浅海到深海,再到深渊的演化过程,遵循着基因组先趋向于基因获得后趋向于精简的规律。YLB-06T是希瓦氏菌从深海到深渊演化的过度物种,因此YLB-06T的全基因组是目前已知的希瓦氏菌中最大的基因组,普遍存在多拷贝基因现象,含双鞭毛系统、多套趋化系统、多套菌毛系统、多个抗氧化基因、多套重金属耐受基因簇、10对毒素-抗毒素系统还有三个孢子形成蛋白,这些特征都与它适应深海高压低温环境有关。通过对YLB-06T原位环境条件(高压低温23MPa/4°C)和最适生长条件(常压较高温0.1MPa/10°C)的转录组分析,发现高压低温条件下明显上调的差异表达基因主要与代谢有关,包括氨基酸代谢、碳水化合物代谢和能量代谢等。因此,YLB-06T可能是利用多种方式在运动、附着、生物膜的形成以及细胞间的相互作用,实现氨基酸的积累,并通过灵活利用碳代谢和能量代谢,以获取更多的能量,来适应深海极端环境。综上所述,奇古菌门在所调查的雅浦海沟沉积物中是最优势的微生物类群;高压低营养条件最适合富集培养深海微生物;通过耐压菌分离获得了多株深海耐压细菌新种;通过比较基因组和转录组学分析发现嗜冷耐压希瓦氏菌具有多套极端环境适应策略。因此本研究为认识深海嗜耐压微生物群落结构及其极端环境适应机制提供了参考。