《PNSA》科学家揭开地下隐藏的生命活动

科学家们已经开发出一种开创性的方法，将遗传学与厌氧微生物的活动联系起来，揭示了地球表面深处微生物群落的关键见解。这种方法展示了死亡谷含水层中的一种优势细菌，为理解微生物在全球过程中的作用开辟了新的途径。

　　

由毕格罗海洋科学实验室的研究人员领导的一组科学家开发了一种创新的方法，将地球表面深处缺氧环境下的个体微生物的基因和功能联系起来。

测量这两种属性——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个挑战，但对于理解微生物群落在碳循环等全球过程中的作用至关重要。

这种由毕格罗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的地下水含水层中，一种消耗硫酸盐的细菌不仅数量最多，而且也是最活跃的生物。发表在《PNSA》上的研究结果表明，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。

微生物群落动态的洞察

“以前，我们不得不假设所有的细胞都以相同的速度运作，但现在我们可以看到，微生物群落的个体成员之间存在着广泛的活动水平，”研究科学家、论文的主要作者Melody Lindsay说。“这有助于我们了解这些微生物群落的能力，以及它们如何影响全球生物地球化学循环。”

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——它们能力的蓝图——与它们在任何特定时刻的实际活动联系起来。

方法论的进步

由美国国家科学基金会EPSCoR项目资助的“基因组到现象”项目是毕格罗实验室、沙漠研究所和新罕布什尔大学的合资项目。它利用单细胞基因测序的最新进展，采用创造性的方法，应用流式细胞术来估计这些细胞内发生的过程(如呼吸)的速率。

流式细胞术是毕格罗实验室从生物医学科学领域引进的一种分析单个环境微生物的方法，它使研究人员能够快速地从含水层水样中分离出活的微生物。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，这种化合物在流式细胞仪激光下发光。毕格罗实验室的实习生用实验室培养的细胞进行了实验，得出了在激光照射下细胞发出荧光的程度与这些反应速率之间的关系，然后将其应用于死亡谷的样本。

一旦活性细胞被测量和分离，研究小组就对它们的个体基因组进行测序。研究人员还使用了元转录组学，这是一种确定哪些基因正在活跃表达的方法，以及放射性同位素示踪剂，这是一种更传统的测量微生物群落活性的方法。这样做既是为了“反复检查”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和它们实际行为之间联系的信息。

单细胞基因组学中心是世界上唯一一个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SCGC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，”Bigelow实验室高级研究科学家Ramunas Stepanauskas说，他是SCGC主任和该项目的首席研究员。

这项新研究建立在首次证明这种方法量化单个细胞活性的基础上。2022年底，该团队发表了关于海水中微生物的研究结果，表明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，研究小组正在扩展这种方法，以证明它可以在不依赖氧气的微生物的低生物量环境中使用。例如，在从加利福尼亚地下含水层抽取的样本中，科学家们估计每毫升水中有数百个细胞，而一毫升地表水中有数百万个细胞。

Lindsay说:“我们从海洋中的氧气呼吸生物开始，因为它们更活跃，更容易分类，更容易在实验室中生长。但有氧呼吸只是微生物学中可能的一种过程，所以我们想要超越它。”

扩大微生物研究的范围

结果证实，该环境中含硫候选菌(Candidatus Desulforudis audaviator)是数量最多的微生物，也是还原硫酸盐能量最活跃的微生物。与之前研究中的海水样本相比，研究小组测量的总体活跃率较低，但个体微生物的活跃性存在很大差异。

研究小组现在正致力于将他们的方法应用于测量其他厌氧反应，如硝酸盐还原，以及新的环境，包括缅因州海岸的沉积物。由美国宇航局资助的一个相关项目也使Lindsay和她的同事能够在海洋深处的地下测试这种方法。

Lindsay说:“现在，我们正在世界各地进行所有这些点测量，它们确实帮助我们更好地了解微生物在做什么，但我们需要扩大规模。所以，我们正在考虑如何以更广泛的方式将这种方法应用到新的地方，甚至可能应用到其他星球上。”

参考:“Species-resolved, single-cell respiration rates reveal dominance of sulfate reduction in a deep continental subsurface ecosystem” by Melody R. Lindsay, Timothy D’Angelo, Jacob H. Munson-McGee, Alireza Saidi-Mehrabad, Molly Devlin, Julia McGonigle, Elizabeth Goodell, Melissa Herring, Laura C. Lubelczyk, Corianna Mascena, Julia M. Brown, Greg Gavelis, Jiarui Liu, D. J. Yousavich, Scott D. Hamilton-Brehm, Brian P. Hedlund, Susan Lang, Tina Treude, Nicole J. Poulton, Ramunas Stepanauskas, Duane P. Moser, David Emerson and Beth N. Orcutt, 4 April 2024, Proceedings of the National Academy of Sciences.