近日,自然資源部第三海洋研究所(以下簡(jiǎn)稱海洋三所)董西洋研究員課題組在Nature Communications(Nature系列綜合類子刊,中科院一區(qū)top)發(fā)表了題為“Cold seeps are potential hotspots of deep-sea nitrogen loss driven by microorganisms across 21 phyla”的研究論文。該研究發(fā)現(xiàn)深海冷泉可能是全球海洋脫氮的重要熱點(diǎn)區(qū),其脫氮過程由21個(gè)門類的微生物驅(qū)動(dòng)。這一研究首次在冷泉環(huán)境中系統(tǒng)分析了脫氮過程,發(fā)現(xiàn)冷泉的脫氮速率顯著高于典型的深海沉積物,填補(bǔ)了深海氮循環(huán)研究中的重要空白。
氮是生物生長(zhǎng)的重要元素,控制著全球海洋的初級(jí)生產(chǎn)力。然而,海洋氮的平衡受限于固氮與脫氮過程之間的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)。脫氮過程主要包括反硝化作用和厭氧氨氧化(anammox)過程,它們共同作用,將海洋中的活性氮轉(zhuǎn)化為氮?dú)猓∟2)釋放回大氣,影響全球氮循環(huán)的穩(wěn)定性。盡管過去的研究表明,固氮微生物在深海冷泉環(huán)境中廣泛存在,但關(guān)于脫氮微生物的生態(tài)作用仍缺乏系統(tǒng)研究。本研究針對(duì)這一關(guān)鍵問題,整合地球化學(xué)測(cè)量、15N穩(wěn)定同位素示蹤實(shí)驗(yàn)、宏基因組學(xué)、宏轉(zhuǎn)錄組學(xué)及三維蛋白結(jié)構(gòu)模擬等多種方法,揭示了冷泉環(huán)境中復(fù)雜且活躍的脫氮過程。
研究團(tuán)隊(duì)分析了全球多個(gè)深海冷泉的359個(gè)沉積物樣本,發(fā)現(xiàn)冷泉的脫氮速率遠(yuǎn)高于典型的深海沉積物。通過15N穩(wěn)定同位素示蹤實(shí)驗(yàn),測(cè)定了脫氮的通量,估算表層沉積物的年均脫氮量在4.96–7.63 Tg N之間,占全球海洋沉積物脫氮總量的1.65–2.54%。地球化學(xué)參數(shù)測(cè)量結(jié)果進(jìn)一步支持了這一結(jié)論。研究發(fā)現(xiàn),冷泉沉積物的硝酸鹽和亞硝酸鹽含量通常低于銨鹽,且檢測(cè)到了活躍的N2產(chǎn)生跡象,表明反硝化作用和厭氧氨氧化過程在冷泉環(huán)境中高度活躍。
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圖1?冷泉和非冷泉區(qū)域沉積物及孔隙水的地球化學(xué)特征
以往的基因注釋主要依賴于序列相似性,這往往會(huì)忽略那些序列相差較遠(yuǎn)但功能相似的基因。然而,在長(zhǎng)期進(jìn)化過程中,同一位點(diǎn)的多次突變可能導(dǎo)致序列比對(duì)的不確定性,而蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)比序列突變更為保守,因此結(jié)構(gòu)分析成為揭示微生物功能多樣性的關(guān)鍵方法之一。本研究利用蛋白結(jié)構(gòu)相似性分析與系統(tǒng)發(fā)育分析,對(duì)1.47億個(gè)非冗余基因進(jìn)行了深入挖掘,發(fā)現(xiàn)冷泉表層沉積物中存在大量脫氮基因,包括亞硝酸還原酶(NosZ;6.88 GPM)、一氧化氮去除酶(Nod;1.29 GPM)和聯(lián)氨/肼合成酶(HzsA;3.35 GPM)。對(duì)來自該生境的3,164個(gè)宏基因組組裝基因組(MAG)的分析,將已知的氧化亞氮還原菌的多樣性擴(kuò)展了3個(gè)門,將一氧化氮歧化微生物的多樣性擴(kuò)展了1個(gè)門和2個(gè)目,同時(shí)發(fā)現(xiàn)有包括浮霉菌門在內(nèi)的10個(gè)門的微生物具有厭氧氨氧化能力(圖1,圖2)。這些微生物表現(xiàn)出多樣的結(jié)構(gòu)適應(yīng)性和復(fù)雜的基因簇排列,這可能使其能夠在冷泉中生存。
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圖2?含有nosZ Clade I或II的MAG中NosZ的蛋白結(jié)構(gòu)樹及nos基因簇
本研究表明,冷泉不僅是海底甲烷滲漏和硫化物循環(huán)的活躍區(qū)域,還是全球海洋脫氮的重要貢獻(xiàn)者。這一發(fā)現(xiàn)對(duì)于理解全球氮循環(huán)至關(guān)重要,尤其是在當(dāng)前全球氣候變化背景下,研究海洋氮收支的變化趨勢(shì)將有助于預(yù)測(cè)未來海洋生態(tài)系統(tǒng)的演變方向。
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圖3?冷泉MAGs中的HzsA的蛋白結(jié)構(gòu)樹以及HZS的預(yù)測(cè)蛋白結(jié)構(gòu)
海洋三所博士后姜秋云和中國科學(xué)院海洋研究所助理研究員曹磊為論文共同第一作者。海洋三所董西洋研究員和中國海洋大學(xué)林賢彪副教授為論文共同通訊作者。其他參與者包括韓迎春、李盛結(jié)、趙睿、張曉黎、S. Emil Ruff、趙卓銘、彭佳雪、廖靜、朱寶利和王敏曉等。本研究受到國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目、廈門市自然科學(xué)基金項(xiàng)目、福建省自然科學(xué)基金、海洋三所基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)等項(xiàng)目資助。本研究中沉積物地球化學(xué)參數(shù)所采用的樣品主要通過搭載“科學(xué)”號(hào)科考船和“發(fā)現(xiàn)”號(hào)ROV采集自南海陵水、海馬和F冷泉區(qū)。
論文原文鏈接:https://doi.org/10.1038/s41467-025-56774-1
本文來源于自然資源部第三海洋研究所,“科學(xué)”號(hào)信息員封婧改編提供。