近日，自然資源部海洋三所生物重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室董西洋研究員團(tuán)隊(duì)聯(lián)合大連海事大學(xué)馬橋教授等科研團(tuán)隊(duì)，在國際著名微生物學(xué)期刊《Microbiome》（中科院一區(qū)Top期刊）發(fā)表了題為“Diverse quorum sensing systems regulate microbial communication and biogeochemical processes in deep-sea cold seeps”的研究論文。研究團(tuán)隊(duì)系統(tǒng)揭示了群體感應(yīng)（quorum sensing, QS）在深海冷泉生態(tài)系統(tǒng)中調(diào)控微生物通訊與地球化學(xué)過程的重要作用，闡明了多種群體感應(yīng)系統(tǒng)協(xié)同驅(qū)動冷泉微生物生態(tài)適應(yīng)與物質(zhì)循環(huán)的新機(jī)制。

群體感應(yīng)是微生物通過信號分子實(shí)現(xiàn)群體行為調(diào)控和生態(tài)適應(yīng)的重要機(jī)制，對環(huán)境感知、共生與代謝協(xié)作等方面具有重要意義。深海冷泉是地球上極為特殊的海底生境，具有高壓、低溫和富碳?xì)浠衔锏忍卣?，孕育了高度多樣且代謝復(fù)雜的微生物群落。然而，冷泉微生物之間的通訊機(jī)制及其在生態(tài)系統(tǒng)功能中的作用長期未明。

研究團(tuán)隊(duì)整合了來自全球17個深海冷泉站點(diǎn)的170個宏基因組和33個宏轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)，構(gòu)建了強(qiáng)覆蓋性的非冗余冷泉基因集，系統(tǒng)分析了群體感應(yīng)基因的分布、互作機(jī)制和生態(tài)角色。結(jié)果表明，冷泉微生物群體感應(yīng)系統(tǒng)極為豐富，涵蓋AI-2、AHLs、DSF、c-di-GMP、PQS和AHKs六大類型，共識別出近30萬條群體感應(yīng)相關(guān)基因。這些基因在不同沉積深度和冷泉類型中呈現(xiàn)明顯分層特征，顯示群體感應(yīng)調(diào)控與冷泉的地球化學(xué)梯度密切相關(guān)（圖1）。

圖1 冷泉沉積物中群體感應(yīng)基因的分布

分析顯示，94%的冷泉微生物基因組含有群體感應(yīng)相關(guān)基因，涵蓋了108個細(xì)菌門類和12個古菌門類（圖2），表明群體感應(yīng)在深海冷泉微生物界廣泛存在。不同微生物類群展現(xiàn)出獨(dú)特的群體感應(yīng)信號系統(tǒng)偏好：細(xì)菌主要依賴AI-2、DSF和c-di-GMP系統(tǒng)，而古菌則偏向使用AI-2與AHLs系統(tǒng)。這種差異反映出冷泉微生物在長期演化中形成的多樣化通訊策略。

圖2 冷泉微生物中群體感應(yīng)基因的分布

研究進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，群體感應(yīng)與冷泉生態(tài)系統(tǒng)中的關(guān)鍵生物地球化學(xué)過程密切相關(guān)。部分群體感應(yīng)基因與甲烷厭氧氧化、硫酸鹽還原、生物固氮和有機(jī)鹵素脫鹵等核心代謝基因呈顯著正相關(guān)（圖3），表明群體感應(yīng)在碳、硫、氮及鹵素循環(huán)中發(fā)揮協(xié)同調(diào)控作用。研究還揭示，不同功能類群在通訊方式上存在差異：厭氧產(chǎn)甲烷古菌主要依賴AI-2信號系統(tǒng)，固氮菌富含c-di-GMP相關(guān)基因，而硫酸鹽還原菌則同時擁有多種信號調(diào)控途徑，表明其在冷泉能量代謝網(wǎng)絡(luò)中的重要地位。

圖3 冷泉中群體感應(yīng)基因、重要代謝基因與功能重要微生物群的關(guān)系

為驗(yàn)證群體感應(yīng)的功能活性，研究團(tuán)隊(duì)對5個冷泉來源的LuxI基因進(jìn)行異源表達(dá)，其中4個luxI具有誘導(dǎo)生成AHLs類信號分子的能力（圖4）。分子對接結(jié)果表明，受體LuxR可與多種AHL分子結(jié)合，證實(shí)了LuxI-LuxR信號系統(tǒng)在冷泉微生物中的功能性存在。結(jié)合代謝組學(xué)分析，研究在冷泉沉積物中檢測到具有潛在群體感應(yīng)抑制劑作用的多種脂肪酸分子，如棕櫚酸、油酸和十六烯酸，提示冷泉環(huán)境中群體感應(yīng)與信號淬滅（quorum quenching）過程可能并存，構(gòu)成動態(tài)的信號調(diào)控網(wǎng)絡(luò)。

圖4 LuxI表達(dá)和生物測，GC-MS檢測冷泉沉積物中與群體感應(yīng)相關(guān)的化合物

該研究揭示了深海冷泉微生物利用多層次群體感應(yīng)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)信息傳遞、生態(tài)協(xié)作與代謝調(diào)控的整體圖景，深化了對深海微生物生態(tài)適應(yīng)機(jī)制和地球化學(xué)過程的認(rèn)識。研究展示了人工智能、大數(shù)據(jù)挖掘與微生物生態(tài)學(xué)相結(jié)合的前沿成果，為探索深海生物圈的“智能化生態(tài)網(wǎng)絡(luò)”提供了新范式，也為環(huán)境微生物通訊機(jī)制及其在全球物質(zhì)循環(huán)中的作用研究開辟了新的方向。

研究團(tuán)隊(duì)及資助

我所碩士研究生彭佳雪與劉心悅為論文共同第一作者，大連海事大學(xué)馬橋教授與我所董西洋研究員為共同通訊作者。其他參與者包括王潔妮、韓迎春、廖靜、彭用一、孟楠、Rubin-Blum Maxim、李成成、蔡潤林。該研究得到國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目、海洋三所基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)及福建省自然科學(xué)基金項(xiàng)目等資助。

• 信息來源：自然資源部海洋三所。

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