咸和混杂的基因改组微生物占据南极洲的深湖

在南极洲的Vestfold山被隔离，深海湖泊在3500年前被南极大陆上升与海洋隔离，导致海水生态系统在极端寒冷中保持液态，并为研究人员研究现在茁壮成长的微生物的进化提供独特的利基在这种条件下。深湖的微观居民以haloarchaea为主，微生物需要高盐浓度才能生长，并且自然适应条件 - 在零下20°C - 这将对其他生物体造成致命的寒冷。在2013年9月30日在线发表在美国国家科学院院刊上的 详细分析 (PNAS)，研究人员首次能够获得Deep Lake微生物群落的完整生态图像。

由澳大利亚新南威尔士大学的Rick Cavicchioli领导的团队与美国能源部联合基因组研究所(DOE JGI)合作，从单个微生物中分离的DNA中生成序列数据，并将其与采样的宏基因组(微生物群落)信息进行比较在深湖的不同深度。

“了解haloarchaea如何在深湖中茁壮成长，可以用来开发工程概念，以降低各种情况下的能源成本，例如清理永久性或季节性寒冷地区的污染场地，”Cavicchioli说。由于亲爱的酶在极端条件下发挥作用的能力，他建议它们也可以用作肽合成和提高油回收的催化剂，并且可以在水 - 有机溶剂混合物中起作用。“这些酶对于用特别高含量的石油基产品转化污染场地特别有用，”他补充说。

深湖的极端情况使得微生物邻近相当均匀。研究中的四种分离物代表了社区中约72%的细胞。虽然跨物种边界的基因交换被认为是罕见的，但研究人员观察到生活在湖泊的超盐环境中的haloarchaea相对经常地实践它，就像邻居在小城镇的咖啡klatch中“咀嚼脂肪”一样。“有趣的是，虽然基因交换猖獗，但物种谱系似乎是由于每个物种都具有高水平的专业化，能够实现小众分割和和平共存，”Cavicchioli说他们的研究结果。“Haloarchaea以'混杂'而闻名，也就是说，它们之间易于交换DNA。我们的研究表明，这种交换发生的程度远高于以前在自然界中记录的水平。他们沟通，分享，专业化和共存。“

这种“对话”的区别在于Deep Lake的haloarchaea不仅在物种之间交换DNA的信息，而且在不同的属中交换DNA的信息，而且在大量的部分中，大约35,000个代码字母，而不是一个字母不合适。虽然它可能很慢，但是这个给予和接受的东西充满了必要的信息，这个词在社区中传播。“不同湖泊生物之间长期高度相同的共有序列引发了对潜在交叉污染的强烈怀疑，”DOE JGI的微生物项目负责人，该研究的共同作者Tanja Woyke说。“然而，通过对人工完成和策划的基因组的艰苦验证，我们能够排除任何过程引入的工件，并确认这是真正的种间基因交换。”

Cavicchioli指出，“由于内容转移缺乏核心基因，它说明了这些微生物的灵活性和协作性。这种穿梭的基因内容可以赋予诸如对病毒的抗性或增强其响应特定环境因素的能力等益处。此外，我们分析的标记表明，整个Deep Lake社区都发生了高水平的基因交换。“

一种特殊的微生物参与者，称为tADL，占湖泊群落细胞含量的约44%，这是地球上从二氧化碳合成有机化合物方面生产力最低的环境之一。地球上的大多数生命依赖于这个过程，但Deep Lake的微生物生命每年只有六代细胞分裂，因此tADL相对“高能量”的新陈代谢使其擅长降解碳水化合物，对甘油具有特殊的味道，甘油是一种天然的副产品捕光藻类。“关于他们吃什么的一个关键是，通过选择不同的食物来源，他们可以共存并继续繁殖，并以相对和谐的方式生活，”Cavicchioli说。

Cavicchioli承认， PNAS 论文代表了合并和分析过去八年汇集的集体数据集所产生的更为引人注目的发现的综合。在此过程中，记录的一个重要里程碑是从极地环境中分离出的生命树的古菌分支的第一个成员的基因组测序和分析。

“每次我们在那里戳一个组织棒”，我们就会找到我们从未想到的东西，“Cavicchioli说。“每个湖泊也有自己独特的特征，因此还有很多东西需要发现。这些南极考察代表了大量的物流投资，澳大利亚南极分部和澳大利亚南极科学计划的资金数百万，利用了JGI的强大资源。作为一项长期投资战略，事实证明这是一个很好的模型，可以说明一群灵活的科学家如何能够为强大的科学成果提供可靠的途径。“