在南極洲的Vestfold山被隔離，深海湖泊在3500年前被南極大陸上升與海洋隔離，導(dǎo)致海水生態(tài)系統(tǒng)在極端寒冷中保持液態(tài)，并為研究人員研究現(xiàn)在茁壯成長(zhǎng)的微生物的進(jìn)化提供獨(dú)特的利基在這種條件下。深湖的微觀居民以haloarchaea為主，微生物需要高鹽濃度才能生長(zhǎng)，并且自然適應(yīng)條件 - 在零下20°C - 這將對(duì)其他生物體造成致命的寒冷。在2013年9月30日在線發(fā)表在美國(guó)國(guó)家科學(xué)院院刊上的 詳細(xì)分析 (PNAS)，研究人員首次能夠獲得Deep Lake微生物群落的完整生態(tài)圖像。

由澳大利亞新南威爾士大學(xué)的Rick Cavicchioli領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)與美國(guó)能源部聯(lián)合基因組研究所(DOE JGI)合作，從單個(gè)微生物中分離的DNA中生成序列數(shù)據(jù)，并將其與采樣的宏基因組(微生物群落)信息進(jìn)行比較在深湖的不同深度。

“了解haloarchaea如何在深湖中茁壯成長(zhǎng)，可以用來(lái)開發(fā)工程概念，以降低各種情況下的能源成本，例如清理永久性或季節(jié)性寒冷地區(qū)的污染場(chǎng)地，”Cavicchioli說(shuō)。由于親愛的酶在極端條件下發(fā)揮作用的能力，他建議它們也可以用作肽合成和提高油回收的催化劑，并且可以在水 - 有機(jī)溶劑混合物中起作用。“這些酶對(duì)于用特別高含量的石油基產(chǎn)品轉(zhuǎn)化污染場(chǎng)地特別有用，”他補(bǔ)充說(shuō)。

深湖的極端情況使得微生物鄰近相當(dāng)均勻。研究中的四種分離物代表了社區(qū)中約72%的細(xì)胞。雖然跨物種邊界的基因交換被認(rèn)為是罕見的，但研究人員觀察到生活在湖泊的超鹽環(huán)境中的haloarchaea相對(duì)經(jīng)常地實(shí)踐它，就像鄰居在小城鎮(zhèn)的咖啡klatch中“咀嚼脂肪”一樣。“有趣的是，雖然基因交換猖獗，但物種譜系似乎是由于每個(gè)物種都具有高水平的專業(yè)化，能夠?qū)崿F(xiàn)小眾分割和和平共存，”Cavicchioli說(shuō)他們的研究結(jié)果。“Haloarchaea以'混雜'而聞名，也就是說(shuō)，它們之間易于交換DNA。我們的研究表明，這種交換發(fā)生的程度遠(yuǎn)高于以前在自然界中記錄的水平。他們溝通，分享，專業(yè)化和共存。“

這種“對(duì)話”的區(qū)別在于Deep Lake的haloarchaea不僅在物種之間交換DNA的信息，而且在不同的屬中交換DNA的信息，而且在大量的部分中，大約35,000個(gè)代碼字母，而不是一個(gè)字母不合適。雖然它可能很慢，但是這個(gè)給予和接受的東西充滿了必要的信息，這個(gè)詞在社區(qū)中傳播。“不同湖泊生物之間長(zhǎng)期高度相同的共有序列引發(fā)了對(duì)潛在交叉污染的強(qiáng)烈懷疑，”DOE JGI的微生物項(xiàng)目負(fù)責(zé)人，該研究的共同作者Tanja Woyke說(shuō)。“然而，通過(guò)對(duì)人工完成和策劃的基因組的艱苦驗(yàn)證，我們能夠排除任何過(guò)程引入的工件，并確認(rèn)這是真正的種間基因交換。”

Cavicchioli指出，“由于內(nèi)容轉(zhuǎn)移缺乏核心基因，它說(shuō)明了這些微生物的靈活性和協(xié)作性。這種穿梭的基因內(nèi)容可以賦予諸如對(duì)病毒的抗性或增強(qiáng)其響應(yīng)特定環(huán)境因素的能力等益處。此外，我們分析的標(biāo)記表明，整個(gè)Deep Lake社區(qū)都發(fā)生了高水平的基因交換。“

一種特殊的微生物參與者，稱為tADL，占湖泊群落細(xì)胞含量的約44%，這是地球上從二氧化碳合成有機(jī)化合物方面生產(chǎn)力最低的環(huán)境之一。地球上的大多數(shù)生命依賴于這個(gè)過(guò)程，但Deep Lake的微生物生命每年只有六代細(xì)胞分裂，因此tADL相對(duì)“高能量”的新陳代謝使其擅長(zhǎng)降解碳水化合物，對(duì)甘油具有特殊的味道，甘油是一種天然的副產(chǎn)品捕光藻類。“關(guān)于他們吃什么的一個(gè)關(guān)鍵是，通過(guò)選擇不同的食物來(lái)源，他們可以共存并繼續(xù)繁殖，并以相對(duì)和諧的方式生活，”Cavicchioli說(shuō)。

Cavicchioli承認(rèn)， PNAS 論文代表了合并和分析過(guò)去八年匯集的集體數(shù)據(jù)集所產(chǎn)生的更為引人注目的發(fā)現(xiàn)的綜合。在此過(guò)程中，記錄的一個(gè)重要里程碑是從極地環(huán)境中分離出的生命樹的古菌分支的第一個(gè)成員的基因組測(cè)序和分析。

“每次我們?cè)谀抢锎烈粋€(gè)組織棒”，我們就會(huì)找到我們從未想到的東西，“Cavicchioli說(shuō)。“每個(gè)湖泊也有自己獨(dú)特的特征，因此還有很多東西需要發(fā)現(xiàn)。這些南極考察代表了大量的物流投資，澳大利亞南極分部和澳大利亞南極科學(xué)計(jì)劃的資金數(shù)百萬(wàn)，利用了JGI的強(qiáng)大資源。作為一項(xiàng)長(zhǎng)期投資戰(zhàn)略，事實(shí)證明這是一個(gè)很好的模型，可以說(shuō)明一群靈活的科學(xué)家如何能夠?yàn)閺?qiáng)大的科學(xué)成果提供可靠的途徑。“