科學家們發展出一種開創性的方法，將遺傳學與厭氧微生物的活動聯繫起來，揭示了地球表面深處微生物群落的關鍵訊息。這種方法展示了死亡谷含水層中的一種優勢細菌，為了解微生物在全球過程中的作用開闢了新途徑。

由比奇洛海洋科學實驗室研究人員領導的科學家團隊開發出一種創新方法，將生活在地球表面深處無氧環境中的單一微生物的遺傳學和功能聯繫起來。

測量這兩個屬性–更重要的是將它們聯繫起來長期以來一直是微生物學的一項挑戰，但對於了解微生物群落在碳循環等全球過程中的作用至關重要。

比奇洛實驗室單細胞基因組學中心開發的新方法使研究人員發現，在死亡谷地下近半英里處的地下含水層中，一種消耗硫酸鹽的細菌不僅數量最多，而且是最活躍的生物。研究結果發表在《美國國家科學院院刊》上，顯示這種方法可以成為測量不同生物在這些極端環境中活躍程度的強大工具。

洞察微生物群落動力學

“以前，我們不得不假定所有細胞都以相同的速率運行，但現在我們可以看到，微生物群落個體成員之間的活動水平存在很大差異，”研究科學家兼論文第一作者梅洛迪-林賽說。 “這有助於我們了解這些微生物群落的能力，以及它們可能對全球生物地球化學循環產生的影響”。

沙漠研究所團隊從死亡谷的鑽孔中提取樣本。圖片來源：杜安-莫澤，沙漠研究所

最近的研究是一個更大項目的一部分，該項目將微生物的遺傳密碼–它們能做什麼的藍圖–與它們在任何特定時刻實際在做什麼聯繫起來。

方法論的進展

由美國國家科學基金會EPSCoR 計畫資助的”基因組到表型組”計畫是畢格羅實驗室、沙漠研究所和新罕布夏大學之間的合作計畫。本計畫利用單細胞基因定序的最新進展，創造性地採用流式細胞儀估算細胞內呼吸等過程的速率。

流式細胞儀是一種分析單一環境微生物的方法，比奇洛實驗室將其從生物醫學科學中改造出來，使研究人員能夠快速分類出含水層水樣本中的活微生物。這些微生物被一種特殊設計的化合物染色，當細胞內發生某些化學反應時，這種化合物就會在流式細胞儀的雷射下發光。比奇洛實驗室的實習學生透過實驗得出了細胞在雷射下發出螢光的程度與這些反應速度之間的關係，然後將其應用到死亡谷的樣本中。

測量並分離出活性細胞後，研究小組對它們各自的基因組進行了定序。研究人員還使用了元轉錄組學（一種確定哪些基因正在活躍表達的方法）和放射性同位素示蹤劑（一種測量微生物群落活動的更傳統的方法）。這樣做既是為了”雙重檢查”他們的結果，也是為了獲得更多關於這些微生物的基因能力與它們實際活動之間聯繫的信息。

單細胞基因組學中心是世界上唯一為研究人員提供這種新技術的分析機構。

“這項研究對我們的研究團隊和南加州地質調查局來說是一個令人興奮的機會，可以幫助我們更好地了解地下巨大而神秘的微生物生態系統，”比奇洛實驗室高級研究科學家、南加州地質調查局局長兼該計畫的首席研究員拉穆納斯-斯泰潘納斯卡斯（Ramunas Stepanauskas）說。

這項新研究首次展示了這種量化單一細胞活性的方法。 2022 年底，研究團隊發表了關於海水中微生物的研究結果，顯示一小部分微生物消耗了海洋中的大部分氧氣。在這篇新論文中，研究小組擴展了這個方法，顯示它可用於低生物量環境中不依賴氧氣的微生物。例如，在從加州地下含水層提取的樣本中，科學家估計每毫升水中有數百個細胞，而一般地表水每毫升中有數百萬個細胞。

“我們一開始研究海洋中的有氧呼吸生物，因為它們更活躍，更容易分類，也更容易在實驗室中生長，”林賽說。 “但有氧呼吸只是微生物學中可能存在的過程，所以我們想在此基礎上進一步拓展”。

擴大微生物研究範圍

研究結果證實，Candidatus Desulforudis audaxviator 細菌（綽號”勇敢的旅行者”）不僅是這一環境中數量最多的微生物，也是最活躍的微生物，它能將硫酸鹽還原為能量。與先前研究中的海水樣本相比，研究小組測得的總體活性率較低，但單一微生物的活性差異很大。

研究小組目前正努力將他們的方法應用於測量其他厭氧反應，如硝酸鹽還原，並應用於新的環境，包括緬因州沿海的沉積物。由美國國家航空暨太空總署（NASA）資助的一個相關計畫也使林賽和她的同事們能夠在海洋深處的地下測試這種方法。

“現在，我們正在世界各地進行這些點測量，它們確實有助於我們更好地了解微生物的活動情況，但我們需要擴大其規模。因此，我們正在考慮如何將這種方法應用到新的地方，甚至有可能應用到其他星球上，並擴大應用範圍。”

編譯自: ScitechDaily