分析发现硫循环盐沼微生物在最小尺度上存在多样性

从表面上看，盐沼和被风吹过的草丛看似简单。但这些沼泽地充满了生物多样性，从空气中的昆虫和候鸟一直到生活在土壤中的微生物。海洋生物实验室(MBL)的科学家发现，即使是在盐沼空气中产生“臭鸡蛋气体”气味的硫循环微生物中，多样性也一直延伸到基因组，甚至个体核苷酸。

为了研究盐沼绳草和生活在其根部周围沉积物中的硫循环微生物之间的关系，MBL的科学家分析了从马萨诸塞州和阿拉巴马州盐沼地点收集的微生物DNA测序数据集。这项对盐沼中硫循环微生物多样性(从整个基因组到单个核苷酸)的深入分析于10月26日发表在《应用与环境微生物学》上。

在盐沼中，硫循环与碳循环密切相关，健康的盐沼在泥炭和相关土壤矿物质中储存了大量的碳。

MBL高级科学家佐伊·卡登(ZoeCardon)表示：“几十年来，我们就知道盐沼中的微生物群落极其多样化。”“借助这种深入的测序和分析工具，我们现在可以采集盐沼沉积物样本，不仅可以进行必要的测序来识别其中存在哪些微生物，还可以在计算机中构建其个体基因组的表示。”

这些表示被称为宏基因组组装基因组(MAG)，它们可以通过计算机进行分析，而不需要在培养皿中培养单个微生物。这很重要，因为地球上很少有微生物被培养出来。仅在这项研究中，38个分离的MAG中有29个来自从未培养过的细菌。

“我们通过两种方式研究微生物群落：观察单核苷酸DNA序列水平(字面上的ATCG规模)的差异，并在泛基因组水平上进行比较。开发这种宏基因组管道来分析这些数据是很有趣的，”该论文的联合主要作者谢莉内特·佩雷斯·卡斯特罗(SherlynettePérezCastro)说道。佩雷斯·卡斯特罗(PérezCastro)曾是MBL卡登实验室的博士后研究员，后来转到佐治亚大学任职。

卡登将其形容为大海捞针。“但由于这种相对深入的测序和这些令人惊奇的分析方法，你可以在不同的层面上看到事物——不再是一堆针，现在你可以看到一根红色的针或一根蓝色的针，”她说。

硫循环细菌有两种主要类型：硫酸盐还原剂，有助于分解有机物，但释放对植物有毒的硫化物;硫氧化剂，可以去除有毒的硫化物，从而提高沼泽植物的生产力。这些微生物共同努力支持这些植物和生态系统的健康。

“对于所有生物体来说，微生物和宿主相互作用的方式都有其特殊性。我们想了解植物和硫循环细菌如何协同工作，”该论文的共同主要作者埃琳娜·佩雷多(ElenaL.Peredo)说。Peredo是MBL生态系统中心的兼职科学家和罗彻斯特理工学院的助理教授。

对于佩雷多来说，最令人兴奋的事情之一是一些微生物彼此之间的关系有多么密切。“在你开始研究特定的代谢途径之前，其中两种细菌几乎是相同的。通常，在自然界中，当你有两种密切相关的生物体时，其中一种会在竞争中胜过另一种，”她说。就像狮子和老虎不在同一个生态系统中一样，没有足够的资源来支持它们。

“这些微生物具有不同的基因组合，表明硫酸盐还原和硫氧化的主题略有不同，其中一些变异可能是为什么如此多不同种类的硫循环微生物都能在盐沼沉积物中生存的原因，”卡登说。

多元化的团队努力

这项工作最初是由MBL生态系统中心和约瑟芬湾保罗比较分子生物学和进化中心的科学家开展的一项流行病项目。该小组在2020年夏季研究了绳草和硫循环微生物之间的共生关系，但大流行导致实地工作停止。因此，MBL的人员与已经拥有马萨诸塞州和阿拉巴马州盐沼沉积物微生物的大量DNA测序数据集的科学家合作，启动了该项目。

最初的数据下载和初步探索是在来自多所大学的五名暑期学生的帮助下进行的，这些学生得到了两个暑期本科生研究项目——梅特卡夫暑期本科生研究项目(SURF)和伍兹霍尔合作教育项目(PEP)的支持。

卡登说：“最初是一个大流行时代的项目，可以在科学家在家工作时完成，后来演变成对盐沼中多种硫循环微生物的令人兴奋的探索。”在此过程中，该小组开发了一种全新的方法，从不同的科学角度整合宏基因组分析。

“MBL的真正优势在于它是所有不同类型的[科学家]可以一起工作的地方，”卡登说。“在这篇论文中，我们让人们对进化的驱动因素感兴趣，人们对生态功能感兴趣，人们对植物感兴趣——人们从不同的角度来看这一切，但有着共同的兴趣。”