佳作推荐|Scotian盆地海底冷渗泉不同深度微生物种群对热成烃的生物降解作用

佳作推荐|Scotian盆地海底冷渗泉不同深度微生物种群对热成烃的生物降解作用-医学科研网
代谢组+宏基因组多组学联合分析会擦出怎样的火花呢?本期佳作作者结合宏基因组合和代谢组学对Scotian盆地海底沉积物岩芯做了详细的微生物群落鉴定,不仅发现物种群落在沉积物样本的分布和深度有关系,还将深海冷渗泉沉积物种群落和热成烃厌氧氧化的不同机制联系了起来。

Thermogenic hydrocarbon biodegradation by diverse depth-stratified microbial populations at a Scotian Basin cold seep 
Scotian盆地海底冷渗泉不同深度微生物种群对热成烃的生物降解作用
作者:Xiyang Dong 等
期刊:Nature Communications
时间:2020.11.17
影响因子:12.121
DOI:10.1038/s41467-020-19648-2
实验方法:代谢组+宏基因组
研究背景

深海沉积物表面通常会有冷泉渗透的现象,这种冷泉把海底石油的气体和液体烷烃、芳香类物质带到沉积物和水的交界处。这些渗透的烷烃直接或者间接地被微生物利用成为其营养物质参与到地球化学循环过程当中。海底沉积物和冷渗泉中包含了大量的微生物氧化还原活动,比如ANME(厌氧喜甲烷古菌)主导了大量的甲烷氧化过程。

尽管有很多基于分离培养方法研究海底沉积物物种群落功能的研究,但是这些物种是否在原位也发挥了相应的功能不得而知。同时深海冷渗泉沉积物垂直分层微生物多样性、代谢多样性研究比较缺乏,因此本文作者结合了地球物理化学、宏基因组学和代谢组学的手段企图了解和阐明冷渗泉沉积物中介导烷烃厌氧氧化代谢微生物的垂直分布规律以及降解作用机制。

实验分析方法

在Scotian Basin盆地新发现的海底冷泉水下2306m处3.44米垂直高度的沉积物上取了7个depth(0,20,60,100,150,200,250cmbsf)的样本并检测了样本顶部气体(气相色谱)以及稳定碳和氢同位素特征。沉积物同时也检测了TOC、EOM含量,芳香族物质,孔隙水检测了硫酸盐含量。

沉积物用MS检测了代谢物含量,沉积物提取DNA后用于16S rRNA细菌(V3V4)和古菌(V4V5)的特异性扩增,建库后于Miseq 平台测序(PE300)。序列产生的OTU(97%相似度)用SILVA进行注释对微生物群落进行探索,并做了α和β多样性分析。同时细菌和古菌也做了qPCR绝对定量。

为了找到在烷烃厌氧氧化代谢中可能发挥作用的种群,作者对沉积物做了宏基因组测序(NextSeq 500 System),除了基本的基因预测和注(KEGG)外,用metaWRAP进行了大规模的宏基因组binning组装和分析,bins经过质控和去冗余后最后得到376个MAGs(完整度大于50%,污染度小于10%)。随后用read mapping的方法计算了MAGs的相对丰度。MAGs基于16S rRNA用SILVA和GTDB-Tk做了物种注释和进化树分析。用KEGG DecoderKEGG-Expander重构了MAGs的代谢通路,尤其烷烃厌氧代谢相关的基因组运用了本地数据库做了详细的注释,MAGs中的McrA和DsrA基因也做了预测和确认。基于mcrA基因用MUSCLE算法对序列进行聚类用IQ-tree构建了进化树,用于分析MAGs物种的进化关系。

主要结果

1.沉积物烷烃是微生物介导降解的
作者通过检测发现冷泉下沉积物岩芯底部(332-344cmbsf)存在晶体状的气态状烷烃,并且在样本采集过程中伴有大量气泡溢出。样本的顶部气体分子和同位素检测显示里面有高浓度的总烷烃气体(THG),甲烷占了很大比例(85%/ 79%),说明这些气体是从成熟的石油岩体里溢出的。样本其他4个depth里也检测到了高浓度的有机质(EOM),包括了饱和烷烃(25-52%%)、芳香烃(10-14%)等物质,气相色谱分析显示样本里有不同类别的C13-C20 n-alkane,也检测到了石油降解的marker标记pristane和phytane,同时还有一些碳二氧化物,说明样本里面存在着明确的微生物降解过程(表 1)
表 1    沉积物气体样本的分子和同位素分析
2.沉积物的物种群落结构
综合16S古细菌多样性、qPCR定量分析和宏基因组的分析发现,沉积物里的微生物群落是按照垂直深度分布的。Shannon指数显示S2层细菌多样性最高,S3层则最低,其他S4-S7层的多样性数值居中,菌群丰度也比较适中(图 1a)
样本中的优势菌群主要为γ-变形菌Gammaproteobacteria,21%、变形菌Deltaproteobacteria,14%、α-变形菌Alphaproteobacteria,11%,但在20cmbsf下的优势菌群则是Atribacteria(22-51%)、绿弯菌门Chloroflflexi,5-32%Deltaproteobacteria,5-11%。其中60cmbsf里发现了97%的ANME-1甲烷微菌纲Methanomicrobia,说明该层是sulfate-methane转化发生的区域(图 1b,c),总体来讲16S rRNA测序和宏基因组都发现了大量未能培养的微生物种群。
图 1a  沉积物不同层物种的相对丰度展示;b,c 热成烃厌氧细菌和古菌的相对丰度展示
3.宏基因组binning和代谢综合分析
为了了解样本中烷烃微生物降解的主要可能是哪些物种介导的,作者通过宏基因组binning分析进过组装、质控、去冗余后最终得到293个细菌和83个古菌基因组序列(MAGs,完整度>50%,污染度<10%)。这些MAGs主要分布在43个门,很多不能鉴定到具体的物种,囊括了16S rRNA里检测到的大部分细菌和古菌物种,并且和20-250cmbsf不同层的物种吻合度有63.3%-90.6%。通过重新构建MAGs的代谢通路分析发现,它们都能同化代谢很多烷烃(碳水化合物)、肽和短链脂肪,同时也发现了其具有转化能量和电子固碳的能力,和其他研究比较类似的,发酵可能是沉积物里广泛存在的代谢策略,此外大部分MAGs都能编码双向[NiFe]-hydrogenases(图 2a)。最后作者对MAGs里和沉积物热成烃厌氧降解有关的MAGs的代谢功能进行了详细的描述和探讨。

图 2a  MAGs主要代谢通路和基因展示

比如广古菌门的20个MAGs里都发现了古菌厌氧降解短链烷烃的mcrA酶,主要分布在喜烷烃产甲烷古菌的三个科和两个厌氧甲烷物种簇(ANME-1和ANME-2)以及两个被证实可以催化非甲烷烷烃氧化的种系中(图 3a)。在甲烷和非甲烷烷烃的氧化代谢途径重构中,找到了具有代表性的一些MAGs,比如具有氧化butane作用的Co_bin109_2、Co_bin109-1;参与ethane氧化的Go-MArc1cluster S6_bin38;ANME-1簇的8个bins;产甲烷的S4_bin26和S7_bin36等。同时作者对其他和具有降解液体烷烃芳香族碳水化合物的ChloroflexiDeltaproteobacteria家族的MAGs也做了详细的阐述(图 4)。
图 3a  MAGs基于43保守基因的进化树分析
图 4   烷烃和苯甲酸厌氧氧化模型预测和通路关键基因展示
结 论

本文作者通过结合地球化学、地球物理学、宏基因组合和代谢组学对Scotian Bsin的海底沉积物岩芯做了详细的微生物群落鉴定,物种群落在沉积物样本的分布和深度有关系,大量的物种并未有具体可培养的参考物种。通过保守基因和基因组binning以及代谢途径重构分析等发现沉积物里大量的厌氧细菌和古菌可能参与了海底溢出气体烷烃和液体烃类物质生物降解。在硫酸盐丰富和稀缺的样本层,不同的古菌和细菌通过厌氧氧化对热成烃类物质进行氧化降解,这些物质的降解主要通过alkyl-CoM还原酶和发酵途径实现。这些发现把深海冷渗泉沉积物种群落和热成烃厌氧氧化的不同机制联系了起来。

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