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科学家拟建古菌资源库

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南方科技大学海洋科学与工程系讲座教授张传伦牵头的南方科技大学古菌地球组学重点实验室近期取得重要的成果。其团队首次报道了海洋古菌MG-II在富营养河口的持续勃发现象,并获得了该类群的全基因组测序,揭示该类群在珠江口高丰度及对其环境适应性。该研究成果对于认识古菌在人类活动影响剧烈的富营养海域的生态功能有着重要的意义,相关论文近期在线发表于EnvironmentalMicrobiology上。

原标题:科学家拟建古菌资源库 张传伦在科考船上的工作室。
出海进行科考的科学家们。
古菌学家张教授和同事们在寻找古菌这种最古老的生命体。  文/图 广州日报 全媒体记者鲍文娟、王纳  古菌被认为地球最早的生命  恐龙为何灭绝?一直以来科学界有数十种猜想。不久前在深圳召开的古菌(Archaea)地球组学国际研讨会(以下简称“古菌大会”)上,古菌学专家、南方科技大学海洋与工程系讲席教授张传伦就给广州日报记者解析了这个说法的科学内涵——这与寄居在恐龙体内的大量古菌有关,古菌能产生甲烷,通过放屁使得空气中甲烷的浓度越来越高,温室效应大增,导致地球生态的巨变,恐龙也遭到了灭顶之灾。  张传伦告诉记者,其实没那么可怕,古菌也能造福人类。古菌,这种被称为微生物“暗物质”的最古老生命体,不仅存在于盐湖、海底热液口、陆地热泉等高盐、高温或高压等极端的环境,还存在于沼泽、稻田,甚至人体内。  在今年8月中共中央国务院印发的《关于支持深圳建设中国特色社会主义先行示范区的意见》中,明确提出组建国家深海科考中心。  如今,张传伦牵头成立的南方科技大学古菌地球组学重点实验室,是我国首家以古菌为主题的研究实验室,这一群古菌研究者们正在筹建深海古菌和基因资源库,去拨开这一古老物种身上的层层迷雾。  深海的未知环境,激发了科学家极大的好奇心。自上世纪九十年代起,科学家在一次次远航中,获得了珍贵的海底沉积物,堪称现实版的《海底两万里》。不过,他们的新发现,并不是可怕的庞然大物,而是体积微小而数量众多的微生物——古菌(Archaea)。在生物技术取得长足发展的今天,这可能是地球上最古老生命体的秘密开始被解开。  张传伦教授进行古菌研究近25年。他回忆起第一次在显微镜下看到古菌形态时,用“离奇”一词表达了自己的感受“我们正常认识的细菌是一种杆状或者丝状的形态。但是古菌有的像一片树叶,有的又像几个蛋糕,排列组合在一起。”  当然单从形态上,很难将古菌和细菌完全分开。对古菌认知越深入,张传伦就越有敬畏之心。古菌的英文名“Archaea”来源于希腊语,是“ancient”古老的意思。  因为古菌常被发现生活在极端的环境中,被认为是极端微生物;但不是所有的古菌都存在于极端环境,也不是所有的极端微生物都属于古菌。由于陆地热泉和大洋中脊的环境和地球早期环境十分相似,因此人们最初认为古菌可能代表地球上最早出现的生命,即“古老的生命”。  古菌或成人类称霸地球的幕后推手  在一亿多年前的白垩纪,那时候恐龙大量繁殖,很多草食性恐龙跟今天的牛一样,它们的胃是反刍的,会海量地放屁。屁中含有丰富的甲烷,它们放屁不断,一亿多年下来不断提高大气温度,导致地球生态的巨变,最后灭绝了,但它们的屁却对大气层贡献卓著,为哺乳类动物称霸地球提供适宜的温度。  而产生甲烷的正是古菌,细菌是没有这种功能的。由于近些年来大气环境的不断恶化,温室效应的出现,人们对甲烷的认识和研究越来越广泛。  不过,有的古菌产生甲烷,同时也有古菌能消化甲烷,将其埋藏在沉积物中。可以说,古菌同时也是地球高等生物的守护神。“如果没有古菌将温室气体吃掉,一旦发生大型地质事件导致地下甲烷释放到大气中,很可能造成灭绝性灾难事件。”张传伦说:“古菌默默无闻地消化甲烷,导致大气温度不会攀升很高,这是古菌对人类生存所做的贡献。”“古菌在全球海洋生物地化科学研究中占据非常重要的地位,它们对于全球气候变化和能源与环境问题具有举足轻重的影响。”张传伦教授说。目前已发现的古菌有三十多个门,共约480种。古菌作为生命三大域之一的生物,是目前生物地球化学研究的热点之一。  古菌潜藏在人类身边亟待深入研究  今天,随着地球环境被细菌和真核细胞生物大幅改造,古菌已经被后辈们侵占了大片领地。还有一些大隐于市的古菌,悄然融入了纷繁复杂的现代生物圈。在牛、羊等反刍动物以及白蚁的消化道内,潜藏着产甲烷古菌维持肠道的正常工作。因此,古菌离我们倒也不那么遥远,每一碗羊杂汤里,都有它们的身影。同时,古菌广泛存在于人类的鼻子、肺、肠道和皮肤中。寄居在人体内的古菌主要是产甲烷古菌。人体内古菌可是一支不可小觑的队伍。  “研究海洋古菌多样性,对认识海洋生物资源、保护海洋生态环境、可持续地开发利用海洋生物资源具有重要的理论和现实意义。”张传伦教授表示。  古菌或成开发生物能源突破口  如今,随着对古菌研究的深入,我们很多领域里都可以发挥古菌的作用。张传伦教授举例说,比如,用一种嗜热古菌进行工业发酵本身就可以避免杂菌,因为杂菌无法耐受高温,这就省去了除去杂菌污染的过程,可以极大地节约成本。  另外,古菌还有可能成为人类开发生物能源的突破口。甲烷早在3000多年前就被用做可燃气体,相信有一天,随着对生产甲烷的古菌的研究逐渐深入,我们能利用产甲烷菌,通过规模化的工业生产来生产甲烷。  我国科学家对于古菌的研究一直都与国际接轨,活跃着一批科学家,发挥着举足轻重的作用。比如张传伦对于古菌的热爱被朋友同事所熟知,从他把电子邮箱命名为“Archaea Zhang”(古菌张)可见一斑。而许多研究地质的同行也因为他的介绍,对古菌产生了浓厚的兴趣。张传伦称,我国在古菌研究领域比较活跃的科学家约有20多位,受到国际同行的关注。  去年张传伦教授的科研团队首次报道了海洋古菌MG-II在富营养河口的持续勃发现象,获得了该类群的全基因组测序,揭示了该类群在珠江口高丰度及对其环境的适应性。该研究成果对于认识古菌在人类活动影响剧烈的富营养海域的生态功能有着重要的意义。  今年2019年1月份成立的南方科技大学深圳市古菌地球组学重点实验室,其总体定位是建设为具备国际影响力的科研平台,比肩并引领国际海洋地球古菌组学研究与应用,希望能建立古菌膜脂化合物标准库,深海古菌资源库和基因资源库。推动深海观测技术的发展,发现新的菌种。  “古菌研究工作的推进极大地促进了人们对海洋重要生态过程的理解。我们的实验室希望最终实现引领学科方向、建设和凝聚人才队伍、强化基础研究、服务国计民生的总体目标,为深圳市尽快成为国际海洋中心城市贡献力量。”张传伦教授表示。

  在国家自然科学基金(批准号41530105 和91428308
)的资助下,南方科技大学海洋与工程系讲座教授张传伦(国家“千人计划”特聘教授)牵头的“南方科技大学古菌地球组学重点实验室”近期取得了重要的成果。他们首次报道了海洋古菌MG-II在富营养河口的持续勃发现象,并获得了该类群的全基因组测序,揭示该类群在珠江口高丰度及对其环境适应性。该研究成果对于认识古菌在人类活动影响剧烈的富营养海域的生态功能有着重要的意义。相关研究论文近期在线发表于Environmental
Microbiology(《环境微生物》)上。文章链接:

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  古菌(Archaea)又称古细菌、太古菌或太古生物。1977年起,伍斯等合作者认为它们在细胞膜质和基因方面与细菌有着根本的不同,于是正式命名其为古菌(Archaea),与细菌和真核生物(Eukarya)一起构成了生物的三域系统。古菌的英文名字“Archaea”来源于希腊语,是“ancient”古老的意思。因为古菌最初常被发现生活在高盐、高温等极端环境中,比如盐湖,海底热液口,陆地热泉,因此曾经一度被认为是极端微生物,并被认为可能是地球上最早出现的生命,即“古老的生命”。但多数未被鉴定的古菌并不生活在上述极端环境。1992年,Science和Nature同时报道在海洋中发现了适应低温生长的古菌,并简单把他们分为Marine
Group I(MG- I)和Marine Group II(MG
-II)。目前大部分的观测和研究结果显示,MG-I是自养类型,也称海洋氨氧化古菌,属于奇古菌门,MG-II则是异养类型,属广古菌门;MGII主要分布于表层海水,MGI则随着海水深度的增加而增加。全球海洋MG-II的细胞数约为3
×1027新萄京娱乐网址,个,占全球海洋水体中微生物总量的近十分之一,但该类群的海洋生态功能却一直没有得到很好的阐释。

古菌又称古细菌、太古菌或太古生物。1977年起,伍斯等合作者认为它们在细胞膜质和基因方面与细菌有着根本的不同,于是正式命名其为古菌,与细菌和真核生物一起构成了生物的三域系统。古菌的英文名字Archaea来源于希腊语,是ancient的意思。因为古菌最初常被发现生活在高盐、高温等极端环境中,比如盐湖,海底热液口,陆地热泉,因此曾经一度被认为是极端微生物,并被认为可能是地球上最早出现的生命,即古老的生命。但多数未被鉴定的古菌并不生活在上述极端环境。1992年,Science和Nature同时报道在海洋中发现了适应低温生长的古菌,并简单把他们分为Marine
Group I和Marine Group
II。目前大部分的观测和研究结果显示,MG-I是自养类型,也称海洋氨氧化古菌,属于奇古菌门,MG-II则是异养类型,属广古菌门;MG-II主要分布于表层海水,MG-I则随着海水深度的增加而增加。全球海洋MG-II的细胞数约为3
×1027个,占全球海洋水体中微生物总量的近十分之一,但该类群的海洋生态功能却一直没有得到很好的阐释。

  在对珠江口的古菌类群进行连续一年的逐月观测后,研究团队发现无论是在丰水期,还是在枯水期,均检测到MG-II在珠江口咸淡水混合区的高丰度,比已报道的其他海域的最高值还要高10倍,显示该类群对珠江口环境的适应性。利用宏基因组分离方法成功分离到首个河口环境的MG-II基因组,命名为MGIIa_P。MGIIa_P是第一个含有过氧化氢酶基因的MG-II宏基因组,同时也含有较高比例的糖苷水解酶,表明MG-II既能抵抗光和藻类释放的氧自由基,又可以利用光合藻类产生的多糖,这可能是其对珠江口富营养环境适应性的基因基础。MG-II在珠江口的高丰度及异养代谢特征,揭示该类群在河口有机质的转化过程中发挥着重要作用,而这些都是在之前的微生物海洋学研究中忽视的部分。

张传伦团队在对珠江口的古菌类群进行连续一年的逐月观测后,发现无论是在丰水期,还是在枯水期,均检测到MG-II在珠江口咸淡水混合区的高丰度,比已报道的其他海域的最高值还要高10倍,提示该类群对珠江口环境的适应性。利用宏基因组分离方法成功分离到首个河口环境的MG-II基因组,命名为MGIIa_P。MGIIa_P是第一个含有过氧化氢酶基因的MG-II宏基因组,同时也含有较高比例的糖苷水解酶,提示MG-II既能抵抗光和藻类释放的氧自由基,又可以利用光合藻类产生的多糖,这可能是其对珠江口富营养环境适应性的基因基础。MG-II在珠江口的高丰度及异养代谢特征,提示该类群在河口有机质的转化过程中发挥着重要作用,而这些都是在之前的微生物海洋学研究中忽视的部分。

该论文第一作者为同济大学海洋与地球科学学院副研究员谢伟,是近几年来在张传伦团队中成长起来的青年学者,张传伦为共同通讯作者。

这一研究得到了国家自然科学基金和国家科技部重大研发计划的资助下。

张传伦2017年全职加入南方科技大学海洋科学与工程系,并创建南方科技大学海洋古菌地球组学重点实验室。多年来,张传伦致力于生物地球化学方向的研究,主要研究方向包括微生物在环境及能源、地质历史演化及全球变化中的作用等。他目前担任
古菌和中国科学:地球科学期刊编委,欧洲微生物前沿(Frontiers in
Microbiology)期刊副主编。

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主图设计:刘春辰、丘妍

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