开创性的方法揭示了地球表面深处微生物群落的关键信息

由比奇洛海洋科学实验室研究人员领导的科学家团队开发出一种创新方法，将生活在地球表面深处无氧环境中的单个微生物的遗传学和功能联系起来。

测量这两个属性--更重要的是将它们联系起来长期以来一直是微生物学的一项挑战，但对于了解微生物群落在碳循环等全球过程中的作用至关重要。

比奇洛实验室单细胞基因组学中心开发的新方法使研究人员发现，在死亡谷地下近半英里处的地下含水层中，一种消耗硫酸盐的细菌不仅数量最多，而且是最活跃的生物。研究结果发表在《美国国家科学院院刊》上，表明这种方法可以成为测量不同生物在这些极端环境中活跃程度的有力工具。

洞察微生物群落动力学

"以前，我们不得不假定所有细胞都以相同的速率运行，但现在我们可以看到，微生物群落个体成员之间的活动水平存在很大差异，"研究科学家兼论文第一作者梅洛迪-林赛说。"这有助于我们了解这些微生物群落的能力，以及它们可能对全球生物地球化学循环产生的影响"。

沙漠研究所团队从死亡谷的钻孔中提取样本。图片来源：杜安-莫泽，沙漠研究所

最近的研究是一个更大项目的一部分，该项目将微生物的遗传密码--它们能做什么的蓝图--与它们在任何特定时刻实际在做什么联系起来。

方法论方面的进展

由美国国家科学基金会 EPSCoR 计划资助的"基因组到表型组"项目是毕格罗实验室、沙漠研究所和新罕布什尔大学之间的一项合作项目。该项目利用单细胞基因测序的最新进展，创造性地采用流式细胞仪估算细胞内呼吸等过程的速率。

流式细胞仪是一种分析单个环境微生物的方法，比奇洛实验室将其从生物医学科学中改造出来，使研究人员能够快速分拣出含水层水样中的活微生物。这些微生物被一种特殊设计的化合物染色，当细胞内发生某些化学反应时，这种化合物就会在流式细胞仪的激光下发光。比奇洛实验室的实习学生通过实验得出了细胞在激光下发出荧光的程度与这些反应速度之间的关系，然后将其应用到死亡谷的样本中。

测量并分离出活性细胞后，研究小组对它们各自的基因组进行了测序。研究人员还使用了元转录组学（一种确定哪些基因正在活跃表达的方法）和放射性同位素示踪剂（一种测量微生物群落活动的更传统的方法）。这样做既是为了"双重检查"他们的结果，也是为了获得更多关于这些微生物的基因能力与它们实际活动之间联系的信息。

单细胞基因组学中心是世界上唯一一家为研究人员提供这种新技术的分析机构。

"这项研究对我们的研究团队和南加州地质调查局来说是一个令人兴奋的机会，可以帮助我们更好地了解地下巨大而神秘的微生物生态系统，"比奇洛实验室高级研究科学家、南加州地质调查局局长兼该项目的首席研究员拉穆纳斯-斯泰潘纳斯卡斯（Ramunas Stepanauskas）说。

这项新研究首次展示了这种量化单个细胞活性的方法。2022 年底，研究小组发表了关于海水中微生物的研究结果，显示一小部分微生物消耗了海洋中的大部分氧气。在这篇新论文中，研究小组扩展了这一方法，表明它可用于低生物量环境中不依赖氧气的微生物。例如，在从加利福尼亚州地下含水层提取的样本中，科学家们估计每毫升水中有数百个细胞，而一般地表水每毫升中有数百万个细胞。

"我们一开始研究海洋中的有氧呼吸生物，因为它们更活跃，更容易分类，也更容易在实验室中生长，"林赛说。"但有氧呼吸只是微生物学中可能存在的一个过程，所以我们想在此基础上进一步拓展"。

扩大微生物研究范围

研究结果证实，Candidatus Desulforudis audaxviator 细菌（绰号"勇敢的旅行者"）不仅是这一环境中数量最多的微生物，也是最活跃的微生物，它能将硫酸盐还原为能量。与之前研究中的海水样本相比，研究小组测得的总体活性率较低，但单个微生物的活性差异很大。

研究小组目前正努力将他们的方法应用于测量其他厌氧反应，如硝酸盐还原，并应用于新的环境，包括缅因州沿海的沉积物。由美国国家航空航天局（NASA）资助的一个相关项目也使林赛和她的同事们能够在海洋深处的地下测试这种方法。

"现在，我们正在世界各地进行这些点测量，它们确实有助于我们更好地了解微生物的活动情况，但我们需要扩大其规模。因此，我们正在考虑如何将这种方法应用到新的地方，甚至有可能应用到其他星球上，并扩大应用范围。"

编译自:ScitechDaily