古菌DNA和类脂物_final

古菌分子生态和类脂物研究进展Chuanlun ZhangDepartment of Marine Sicences, University of Georgia, Athens, Georgia 30602, USA黄咸雨生物地质与环境地质教育部重点实验室，中国地质大学（武汉），武汉430074摘要原先认为古菌只存在于极端环境，如海底热液喷口，陆地热泉。

在1992年，两篇具有开创性的研究论文(Furman et al., 1992; DeLong, 1992)提出海岸和开阔海域存在非嗜热泉古菌。

此后，非嗜热泉古菌研究得到了充分的重视。

现有资料清楚地显示，非嗜热泉古菌广泛地分布于各种海相和陆相常温环境。

同期，研究者发现一类新的、可以厌氧氧化甲烷的广古菌，这对甲烷循环和全球气候变化有着深刻影响。

此外，液相色谱-质谱联用仪（LC-MS）的飞速发展，使得可以快速检测各种古菌类脂物，尤其是一些大分子化合物，如甘油二烷基甘油四醚（GDGT）。

古菌类生物标记化合物研究提供了古菌分布、功能和进化的新认识，同时也促进了古菌古气候应用。

本章概述海洋、土壤和热泉环境中古菌生态和生物地球化学研究的最新进展。

由于绝大部分研究是在海洋生态系统中开展，因此本文将更多介绍海洋古菌的分布和生态功能。

1．古菌分子生态1.1．海洋古菌采用免培养分子生物学技术，上世纪90年代初的两篇开创性论文发现非嗜热古菌（泉古菌和广古菌）存在于开阔海域和海岸海水中(DeLong, 1992; Fuhrman et al., 1992)。

这纠正了以前的偏见：泉古菌只存在于海底热液喷口或陆地热泉等极端环境中。

此后，非嗜热古菌研究得到了充分的重视。

现有资料清楚地显示它们广泛地存在于各种低温海洋和陆地环境（参见综述Schleper et al., 2005）。

总的来说，在海洋水柱中，以Group I 泉古菌和Group II 广古菌为主。

在海洋沉积物中，除了上述两类，还存在多种古菌群落，包括海洋底栖泉古菌，混杂泉古菌和一种未鉴定的广古菌群(V etriani et al., 1999; Inagaki et al., 2006; Biddle et al., 2006)。

此外，甲烷厌氧氧化古菌（ANME）广泛地分布在与甲烷水合物，冷泉和富含有机质沉积物等相关的环境(如：Boetius et al., 2000; Orphan et al., 2001; Mills et al., 2003; Knittel et al., 2005)，以及黑海和Cariaco盆地等缺氧水体中(Madrid et al., 2001; Durisch-Kaiser et al., 2005; Schubert et al., 2006)。

水柱和海底沉积物中非嗜热古菌的发现和多样性。

首次海洋浮游古菌的16S rRNA基因检测包含一些与极端嗜热古菌紧密相关的种(Furman et al., 1992; DeLong, 1992)。

起初尚不能确认此种现象，因为这些古菌有可能来自热液喷口。

但是，DeLong和合作者很快在冰冷的北极水体中发现了高含量的古菌（DeLong et al., 1994）；还在嗜冷的海绵中发现了共生的泉古菌（Preston et al., 1996）。

这些研究明确地支持新发现的古菌原产于低温海洋环境。

从此以后，大量的新古菌类型几乎在海洋生物圈的每一个环境下得到检测，包括从太平洋和大西洋的表层到深部以及海底深层沉积物（详细请参考综述Schelper et al., 2005）。

据目前所知，浮游古菌的绝大部分属于Group I.1A泉古菌和Group II 广古菌。

Group I.1A泉古菌主要分布于深层海水（>200米），而Group II 广古菌主要出现在透光层（<200米），同时也分布于深层海水中(Massana et al., 1997; Karner et al., 2001; Herndl et al., 2005; DeLong et al., 2006; Teira et al., 2006)。

海底沉积物中非嗜热古菌主要发现于冷泉和甲烷水合物相关的环境中，甲烷作为能量来源维持着甲烷厌氧氧化（AOM）和硫酸盐还原反应(Hinrichs et al., 1999; Orphan et al., 2001)。

在深海沉积物扩散条件下，甲烷和硫酸盐流量很低，AOM过程发生在硫酸盐-甲烷过渡带（SMTZ）（Biddle et al., 2006）。

在冷泉和甲烷水合物环境中，古菌群落主要是尚未获得培养的广古菌ANME群，它们可以厌氧氧化甲烷（如：Inagaki et al., 2003; Biddle et al., 2006; Inagaki et al., 2006; Kendall et al., 2007）。

具体来说，ANME-1和ANME-2是最主要的甲烷厌氧氧化菌群，尽管它们的相对分布在不同的地点存在较大差异。

比如，在黑海以ANME-1为主，在水合物脊中以ANME-2为主(Knittel et al., 2005; Nauhaus et al., 2005)。

在墨西哥湾，ANME-1和ANME-2都普遍存在（Lanoil et al., 2001; Mills et al., 2003; Lloyd et al., 2006; Reed et al., 2006; Pi et al., in revision)。

在秘鲁海岸高生产力表层海水之下的扩散环境中，沉积物中古菌群落主要是海洋底栖泉古菌B组和泉古菌混杂组，没有检测到ANME-1和ANME-2（Biddle et al., 2006）。

在其他一些非冷泉和非甲烷水合物深海沉积物中，同样以非嗜热泉古菌和非ANME广古菌为主(如：V etriani et al., 1999; Inagaki et al., 2003; Lanoil et al., 2005; Wang et al., 2005; Inagaki et al., 2006)。

特别地，海洋底栖泉古菌B组和Thermoplasmatales广泛地分布与全球正常海相沉积物中(Orphan et al., 2001; Teske, 2006)。

水柱和海底沉积物中非嗜热古菌的丰度。

在开阔海域发现了大量的非嗜热古菌，这更加凸显了非嗜热古菌在海洋生态系统中的重要性。

早期在温带海岸和极地海水中进行的一项浮游古菌含量评价显示，非嗜热古菌占原核生物总量的10-30%（DeLong，1992）。

公元2001年，一项在太平洋进行的大型研究发现古菌主要出现在该区域水体的中层(Karner et al., 2001)。

为期12个月的逐月取样分析显示，浮游泉古菌构成了150米以下微型浮游生物的大部分，且相对含量随深度增加，可占微型浮游生物总量的40% (Karner et al., 2001)。

该研究估计全球海洋可产大约1.3×1028个古菌细胞，与细菌细胞总数（3.1×1028）处于同一数量级(Karner et al., 2001)。

另一项在大西洋展开的综合研究采用改进的催化信使沉积-荧光原位杂交法和独特的低核苷酸探针，结果显示在100米深度以下古菌丰度始终比细菌高(Herndl et al., 2005)；在北大西洋最小含氧层古菌占原核生物总产量的13-27%，在Labrador海占41-84%，在北大西洋深层海水中占10-20% (Herndl et al., 2005)。

一般认为Group I 泉古菌构成了深海浮游古菌的主体，但也有例外。

在北太平洋副热带环流真光层以下，与热泉进化枝pSL12相关的一支古老泉古菌的含量超过了Group I 泉古菌(Mincer et al., 2007)。

这暗示着未知环境条件可以促进不同类别泉古菌的生长。

另一项研究观察到了黑海次氧层异常富集的Group I 泉古菌，可达古菌16S rRNA基因拷贝总数的98% (Coolen et al., 2007)。

该发现揭示出这些浮游泉古菌是微量需氧的，可以忍受次氧条件。

海洋沉积物中古菌的评价常因这些微生物在多孔介质中非均匀分布变得复杂化。

地球化学指标显示产自海底沉积物的甲烷有90%在进入水柱前就已经被消耗掉(Valentine and Reeburgh, 2000)，这意味着大量的甲烷氧化古菌存在于海底沉积物中，且在控制进入大气的甲烷通量方面起着重要作用。

其他研究估计海底沉积物中古菌含量占总生物量的0.01%-30%，较高含量常常发生在靠近海底表层沉积物(V etriani et al., 1999; Inakagi et al., 2006)。

水柱和海底沉积物非嗜热古菌的代谢途径。

受益于环境基因组学的发展(V enter et al., 2004; Schleper et al., 2005; Hallam et al., 2006a)及与海绵共生的单一泉古菌种系型Cenarchaeum symbiosium的基因组分析(Preston et al., 1996; Hallam et al., 2006b)，研究者开始探讨非嗜热古菌的生理和生物化学性质。

新近分离得到的Nitrosopumilus maritimus开启了非嗜热泉古菌生理学研究的新境界(Könneke et al., 2005)。

大量证据支持某些非嗜热泉古菌可以通过氧化氨来获取自养生长所需的能量(Francis et al., 2005; Könneke et al., 2005; Nicol and Schleper, 2006; Wuchter et al., 2006)。

一些分子和地球化学研究反映出嗜热泉古菌可以利用氨基酸和有机碳，这意味着某些泉古菌是异养或兼养微生物(Biddle et al., 2006; Herndl et al., 2005; Ingalls et al., 2006; Ouverney et al., 2000; Teira et al., 2006)。

最近的一项研究表明底栖泉古菌可以氧化甲烷摄取能量，而利用其他有机碳作为生长所需的碳源(Biddle et al., 2006)。

另一方面，ANME群广古菌被认为可以通过反向的产甲烷途径氧化甲烷(Boetius et al., 2000; Hallam et al., 2003, 2004)。

虽然缺乏培养的ANME供详细的生物化学研究，但根据G+C 含量和全基因鸟枪法测序覆盖深度，Eel River盆地沉积物样品AOM群落基因组学分析可以区分ANME-1和ANME-2（Hallam et al., 2004）。