海洋生物分类与系统演化实验室知识库

冷泉生态系统孕育了独特的微型生物群落，其中化能自养细菌和古菌可利用甲烷与硫化氢等，通过甲烷厌氧氧化过程产生有机物，为冷泉生态系统提供能量。然而，由于难以培养和研究不足等原因，丰富多样的真核微生物在冷泉中的作用尚不明确。随着高通量测序技术的发展，分子生态网络分析为研究微型生物之间的潜在关系和预测其作用提供技术支撑。本研究主要以南海冷泉和周边海域沉积物样本为主要研究对象，采用环境DNA（eDNA）和高通量测序技术，研究真核微生物和原核微生物的多样性，并构建跨域的微型生物共发生网络，解析真核微生物与初级生产者相互关系。
本研究首先对海洋沉积物中微型生物分子多样性的研究方法进行优化，以纤毛虫这一典型的真核微生物为例，探讨不同的分子提取方法对评价海洋沉积物中微型生物分子多样性的影响。研究发现，对于同一种提取处理方法，在一定范围内增加样本量（0.9 g到2 g），可检获更多的OTU（Operational Taxonomic Units，可操作分类单元）。不同的提取及处理方法获得的OTU数存在显著差异，DNA洗脱法可检获更多的OTU数，而RNA提取后，先纯化再反转录方法所检获的OTU数最少。相较于直接提取法，DNA洗脱法与RNA提取法检获的群落相似度更高，这两种方法所获得的浮游类纤毛虫比例均较低。综上，推荐采用DNA洗脱法评价沉积物中微型生物的整体多样性。
基于优化的研究方法，采用DNA洗脱法对南海冷泉及周边海域沉积物中的核酸分子进行提取，分析细菌、古菌与真核微生物群落的分子多样性。结果显示，冷泉中存在丰富且特殊的细菌与古菌类群，主要为ANME与SEEP-SRB类群；放射虫和甲藻类是冷泉中优势的真核微生物类群。无论是细菌，古菌，还是真核微生物，冷泉中的多样性均显著低于周边海域，且群落结构显著不同于周边海域。垂向上，冷泉中细菌和古菌群落存在分层现象。冷泉周边沉积物中，由于水深不同，真核微生物的群落结构存在组内差异。冷泉中微型生物群落均以随机性过程占主导，而冷泉周边沉积物中，细菌与古菌群落以随机性过程占主导，真核微生物群落则以确定性过程为主导。不同于周边海域，冷泉环境的特殊性塑造了独特的微型生物群落结构，冷泉中高丰度的化能自养微生物为真核微生物提供了充足的食物，导致生物间竞争压力不大，进而造成冷泉环境中真核微生物群落组装过程不同于周边海域。
为进一步解析真核微生物与初级生产者的关系，构建了真核与原核微生物的跨域共发生网络。结果显示，向原核微生物网络中引入真核微生物时，负相关比例有所上升，网络基本参数：节点数，连接数和平均路径长度均增高，而平均节点度和平均聚类系数却有所降低。不同于周边环境的微生物网络，冷泉网络中SEEP-SRB与ANME占比较高，这两类原核微生物主要参与到甲烷代谢过程中。冷泉中与SEEP-SRB和ANME呈负相关的真核微生物类群主要为Acantharea类群，且Acantharea也与小型后生类群存在负相关联系，表明其在冷泉生态系统的能量传递过程中具有重要作用。而典型的浮游类放射虫Polycystinea则与小型后生生物存在广泛联系，其尸体沉降至冷泉处，是后生动物的重要的食物源。此外，寄生现象在冷泉中十分普遍，主要由Syndiniales占主导，其拥有广泛的宿主，一方面造成宿主死亡，另一方面释放的大量孢子，可作为其他生物的食物来源。
综上所述，冷泉生态系统孕育了特殊的微型生物群落，这些微型生物构成冷泉特有的微生物互作网络。其中ANME与SRB类群作为冷泉生态系统主要的生产者，提供高初级生产力，并以此为基础，冷泉真核微生物群落的组装过程不同于周边海域由决定性过程主导，转而由随机性过程控制。冷泉中，真核微生物参与到复杂的微型生物互作网络中，增高负相关占比，影响甲烷代谢过程。其中Acantharea可作为连接初级生产者和更高营养级的桥梁，对冷泉碳循环过程有着重要意义。此外，寄生现象广泛存在，导致死亡后的Polycystinea可能是冷泉生态系统的外源有机碳输送的重要来源。本研究阐释了真核微生物在冷泉系统中的意义，为解析冷泉系统物质循环和能量流动过程提供新观点。