地下深處，我們腳下的地球充滿了微生物的生命，其中大部分尚未被描述出來。從陽光中切斷，這些神秘的生物必須通過其他方式獲得所有活細胞所需的維持生命的能量和碳。

地下微生物學中一個迫切的問題是這些生物體及其碳，氮和硫循環(huán)能力如何沿地下垂直橫斷面分布。在海洋或淡水水生系統(tǒng)中，沿深度梯度采樣微生物群落相當簡單。但對于地下地下，很難獲得沒有鉆井液或設備污染的樣品。

與加州大學伯克利分校的長期合作者Jill Banfield和加拿大卡爾加里大學的Cathy Ryan 領導的團隊合作，美國能源部(DOE)聯(lián)合基因組研究所(JGI)的研究人員，美國能源部DOE辦公室科學用戶設施調(diào)查了Crystal Geyser在猶他州間歇泉的一個復雜的五天噴發(fā)周期中收集的樣本。整合了基因組解析的宏基因組學，單細胞基因組學和地球化學分析，表明在每個階段采集的樣本包含在組成和代謝功能方面獨特的微生物群落。結(jié)果于2018年1月29日在Nature Microbiology上報道。

班菲爾德指出，她認為，關鍵的成就是不依賴培養(yǎng)的基因組方法將高度新穎的生物群與地下來源直接聯(lián)系起來。由于基因組學方法與地球化學和水文信息的空前結(jié)合，這是可能的。她還指出，重要的是將微生物生態(tài)學，基因組分辨的宏基因組學和單細胞基因組學的主要方法應用于相同的樣品，以便可以比較這些關鍵方法。

水晶噴泉位于悖論盆地，猶他州，是一個CO 2驅(qū)動的，冷水間歇泉由一系列底層由頁巖，泥巖的層隔開的含水層的進料。其為期五天的噴發(fā)周期分為三個階段 - 輕微噴發(fā)，重大噴發(fā)和恢復。在每個噴發(fā)階段，采樣的微生物群落來自不同深度間隔的地下水。

“對于微生物學和地球化學來說，它是一個非常酷的系統(tǒng)，因為通過它的循環(huán)，間歇泉從這些不同的含水層中獲取，通過這些噴發(fā)，你可以進入分層系統(tǒng)和出現(xiàn)的微生物，” JGI微生物項目負責人Tanja Woyke說。

調(diào)查深地面地下

班菲爾德小組之前的工作暗示了該系統(tǒng)中以前未知的細菌和古細菌的巨大系統(tǒng)發(fā)育多樣性，包括候選植物輻射(CPR)的深度分枝生物和以發(fā)現(xiàn)的前五個群體命名的極端微生物的DPANN superphylum：Diapherotrites， Parvarchaeota，Aenigmarchaeota，Nanoarchaeota和Nanohaloarchaea。

“Crystal Geyser提供了一個獨特的環(huán)境來調(diào)查地下，并結(jié)合我們的水文地球化學和微生物數(shù)據(jù)集，從而對那里發(fā)生的事情產(chǎn)生了一些有趣的見解，”該研究的共同第一作者和Ryan的前研究生Bethany Ladd說。

“地球深部地下的生態(tài)系統(tǒng)代表了探索地球生命多樣性的最后邊界。關于這些生態(tài)系統(tǒng)如何構(gòu)建以及這些環(huán)境中的生物如何在沒有陽光的情況下生活的知識知之甚少。“研究共同第一作者亞歷山大·普羅布斯特說，他是班菲爾德實驗室的前博士后研究員，現(xiàn)在德國杜伊斯堡 - 埃森大學。

在目前的研究中，基因組被重建為來自104個不同門級譜系的505種不同的細菌和古細菌生物，包括9種潛在的新型門。大約57%的生物在噴泉噴發(fā)周期的特定階段顯著富集，因此可以采集到特定的地下水深度區(qū)間。

淺層地下水社區(qū)主要由一種硫磺屬物種組成，還有一些其他細菌和一些古細菌。中間深度中與間歇泉相關的大部分微生物屬于CPR，但最豐富的是Gallionellaceae的成員。最深的地下水最集中的是DPANN古細菌和Candidatus “Altiarchaeum”，這是一個非凡的古細菌，其細胞表面上有微型擒抱鉤。

這些龐大的網(wǎng)絡如何協(xié)同工作

許多這些地下居住的微生物被認為是共生的，其想法是環(huán)境中可用資源的缺乏意味著它們必須更多地相互依賴才能生存。能夠通過化學反應(如氫或鐵氧化)產(chǎn)生能量然后利用這種能量來積聚碳的生物被認為是維持其社區(qū)其他細菌和古細菌的“主要生產(chǎn)者”。

“在世界上非常特殊的地方長時間和漫長的夜晚與伯克利團隊合作是一種榮幸和榮幸，”卡爾加里大學的Ryan說，他的研究生Bethany Ladd是這項研究的共同第一作者。 。

Banfield的小組之前也曾報道過Crystal Geyser系統(tǒng)中的生物體采用了三種不同的碳固定機制。在目前的研究中，他們將能源需求最高的機制與淺層地下水社區(qū)聯(lián)系起來，而能源需求最低的機制則與深層地下水社區(qū)聯(lián)系在一起。

此外，注意到普羅布斯特，數(shù)百個推定的共生生物，包括一個最豐富的生物在這些地下流體的潛在的共生體，其結(jié)合CO的古細菌的分析，鑒定基因組2在地下并將其轉(zhuǎn)換為有機物質(zhì)。

“現(xiàn)在我們擁有了這些大型數(shù)據(jù)集，我們可以開始嘗試解開這些巨大網(wǎng)絡如何協(xié)同工作，”沃伊克說。

為該項目做出貢獻的其他JGI研究人員包括：Joyica Jarett，Woyke實驗室的博士后研究員，幫助生成和分析單細胞基因組; Rex Malmstrom，研究科學家/工程師，協(xié)助生成單細胞基因組; 曾在加州大學伯克利分校共同任命的前博士后研究員Christian Sieber提供軟件。

Alexander Probst得到了德國科學基金會和勞倫斯伯克利國家實驗室可持續(xù)系統(tǒng)科學重點領域的支持，該領域由美國能源部科學辦公室資助。加州大學伯克利分校的工作由斯隆基金會“深度生活”資助。加拿大發(fā)現(xiàn)資助的自然科學和工程研究委員會向Cathy Ryan提供了水文地質(zhì)和地球化學分析的資金。