深海原位实验平台“凤凰”号着陆器携带MISNAC下潜。研究团队供图

■本报记者 刁雯蕙

在阳光无法到达的千米深海，生命是如何生存和演化的？那里的微生物是一成不变地“躺平”，还是积极应对环境变化？一项最新研究表明，深海里的“土著”微生物也会根据季节调整“生活模式”。

清华大学深圳国际研究生院教授王勇团队利用自主研发的深海原位核酸采集系统，对南海1000米深的微生物群落进行了环境基因组和转录组学分析，发现了一个稳定且代谢活跃的“土著”微生物类群，它们会根据季节调整代谢策略，进而响应环境变化。近日，相关研究成果发表于《国际微生物生态学学会期刊》。

多种因素可能导致数据偏差

在阳光无法穿透的千米海水之下，高压、低温和黑暗构成了极端环境。然而，深海中的微生物丰富多样、数量庞大，理解它们在极端环境中的生存和演化，对揭示生命适应机制、理解全球碳循环具有重要意义。

以往科研人员对深海微生物的认知，大多基于对微生物DNA和RNA等核酸信息的分析——水样采集自海底，再返回海面实验室进行分析。然而，从深海到海面的过程中，温度从原本的低温升高至常温，压力由上百个大气压降至常压，这种剧变会导致原本活跃的微生物DNA分子降解、失活，甚至死亡。此外，从海洋表层降落的颗粒物会携带各种失活、死亡的微生物，它们与真正活跃的“土著”微生物混合在一起，导致研究产生数据偏差。

那么，能不能直接在深海采样、做实验？如何确保“土著”微生物的核酸信息“原汁原味”？带着这些疑问，2017年，王勇团队对深海原位核酸采集系统展开了攻关。

在千米深海里提取“活信息”

最终，研究团队开发出了多通道原位核酸采集系统（MISNAC）。在深海着陆器下潜到海底后，搭载的MISNAC能够在预先设定的时间内过滤海水，在此过程中，微生物留在了膜上。过滤完成后，MISNAC会根据预先的设定在海底直接注入裂解液，待微生物“溶化”后提取出DNA和RNA，并将它们保存在特制的硅胶颗粒上。

当设备回到船上后，科研人员拿到的是经过初步处理的原位DNA和RNA核酸样品。经过基因测序和数据分析，深海微生物的组成成分与活性一目了然：一个微生物若在RNA和DNA样本中均被识别，表明它是活跃的；若仅存在于DNA样本中，则表明它已失活或死亡。

研究团队将MISNAC部署在南海西北部约1000米深处，于冬季和夏季分别进行了原位采样。“我们经历了多轮海试和优化，经受了海水压力对设备材料的考验，同时，对比了不同酒精和细胞裂解物的比例及核酸吸附颗粒，确保微生物核酸能够完好地保存下来。”王勇说。

“土著”微生物很稳定“工作模式”分季节

基于采集的样本数据，研究团队发现，尽管海水中的微生物种群数量和丰度在不同季节变化很大，但真正在海水中活跃的微生物群落非常稳定，这或许是维持深海生态系统功能韧性的重要基础。

这群深海“土著”微生物主要包括氨氧化古菌、SAR324细菌、海洋螺菌和波塞冬古菌等。有趣的是，这群“土著”不仅稳定，“工作模式”还有着鲜明的季节性。

“比如，在夏天，从海面上会落下的‘食物’多了，这些微生物就懒了，会‘吃现成的’，直接降解颗粒有机碳获取能量。而在冬天，从海面上掉下的‘食物’少了，这些微生物只好‘自己动手’。例如，氨氧化古菌会吸收水中溶解的氨气，进行氧化反应，然后利用二氧化碳合成有机质和储备能量，这与陆地的植物光合作用类似，实现了自给自足。”王勇介绍，研究结果表明，深海微生物通过代谢策略的季节性切换响应表层生态过程的“远程调控”。

值得注意的是，研究人员还发现，纤毛虫而非传统认为的有孔虫，是深海里最活跃的原生生物。纤毛虫作为深海中主要的初级消费者，在能量传递中扮演了关键角色。这一发现凸显了当前人们对单细胞纤毛虫的理解仍然有限，对深海生态系统的构成和能量传递的认识还有巨大提升空间。

该研究不仅表明深海中存在稳定的活性微生物核心群体，还揭示了它们在基因表达层面具有明显的季节性代谢分工，对于深入认识深海碳循环和微生物生态功能具有重要价值。

“以解决真问题为导向的深海研究需要科学与工程相结合，创造新的研究范式和标准。”王勇强调，目前研究团队正在开发新的深海核酸提取和基因检测传感器，目标是实现3个月以上的连续监测，为深海资源开发中的生态环境评估提供可靠方案。

相关论文信息：

https://doi.org/10.1093/ismejo/wraf214