地球表面的海洋最深处被称为深渊带，那里的静水压力超过60兆帕，温度接近冰点，溶解有机质含量极低，这些极端条件使得微生物的原位活动状态长期处于未知状态。过去的研究大多依赖于从环境DNA中预测基因功能，但那些预测的代谢潜能是否真的在深渊原位被表达出来，一直没有得到直接的证据支持。2026年7月28日，上海交通大学肖湘教授和赵维殳副研究员团队在《Cell Host & Microbe》期刊上发表了题为“Unveiling active microbial processes in Earth's deepest seawater”的研究论文。他们利用载人潜水器搭载的原位过滤装置，在12次下潜中收集了马里亚纳海沟和雅浦海沟水深6000至11000米的海水样本，并开发了一套DNA与蛋白质共提取以及宏基因组引导的宏蛋白组学分析流程，这套方法有效克服了深渊海水生物量极低的采样和分析瓶颈，最终构建了包含135073个非冗余蛋白的深渊微生物活性蛋白数据集。
研究团队将这一数据集与来自上层海洋的公共宏蛋白组数据进行了比较，结果发现深渊海水中超过95%的活性蛋白是深渊环境所特有的，并且这些蛋白的功能类群也与上层海洋存在显著差异。上层海洋微生物的蛋白合成和光合作用相关通路更为富集，而深渊微生物则显著富集了环境信息处理、双组分系统和细菌运动蛋白等相关通路，并且他们还鉴定出2084个只在深渊海水中表达而在上层海洋未检测到的KEGG直系同源功能单元，这些功能单元涉及分泌系统、苯甲酸降解和生物膜形成等过程。这样的功能偏好差异说明深渊微生物群落并非简单地由上层水体沉降而来，它们在遗传和功能层面均演化出了适应高压和寡营养条件的独立活动模式。
为了量化不同微生物类群在深渊环境中的实际表达强度，研究团队计算了每个分类群的蛋白表达量与其基因组丰度的比值，他们将其定义为“表达水平”并据此将主要微生物划分为高活性和低活性两个类群。高活性类群如假单胞菌目和伯克霍尔德菌目拥有更大的基因组和更丰富的代谢功能基因，并且他们在重金属抗性、芳香族化合物降解和趋化运动等方面都表现出了广泛的活性，而低活性类群以氨氧化古菌为代表，它们的基因组更为精简并且只表达了有限的核心功能基因，例如这些古菌虽然表达了氨氧化过程的关键酶，但并未检测到常见的碳固定通路蛋白。这种功能上的分化揭示了深渊微生物群落内部实际上存在着不同的生存策略。
关于这些活性微生物的生物地理学起源，研究团队整合了深渊海水宏基因组、已知的深渊沉积物基因组以及全球海洋微生物组数据库中的基因组，他们将活性物种划分为深渊特有、广泛分布、由深渊向外扩散和由上层海洋迁入四种类型。其中深渊特有物种占据了绝大多数并且主导了深渊碳、氮、硫等主要元素的循环过程，而源自上层海洋的迁入类群基因组大小和GC含量都显著偏低，并且它们的表达活性在四种类型中最低，这种特征与寡营养环境中的基因组精简策略高度一致。环境选择压力很可能影响了这些迁入类群的代谢输出，而深渊特有物种则在长期演化中形成了更庞大的基因组和更广泛的代谢能力。
研究团队还分析了深渊海水中活性病毒的群落动态和病毒-宿主相互作用关系。他们通过宏基因组和宏蛋白组的联合分析发现，活性病毒以有尾噬菌体纲为优势类群，并且毒性病毒在基因组和蛋白水平上的相对丰度均显著高于温和病毒。在病毒与宿主的关联模式上，温和病毒与高活性宿主之间保持着正相关关系，这与经典的“搭车赢家”模型预测一致，然而毒性病毒却表现出超出该模型预期的行为，它们在宿主丰度较高时依然维持着数量上的优势，并且在感染目标的选择上并没有表现出对高活性宿主的偏好。活性病毒在深渊环境中展现出的这种双重策略，为理解极端环境下的病毒-宿主生态动力学提供了新的线索。
READING
BioPeers
热门跟贴