尤卡坦州的水下洞穴擁有多種微生物群落

在經(jīng)驗(yàn)豐富的水下洞穴潛水團(tuán)隊(duì)的幫助下，西北大學(xué)的研究人員繪制了迄今為止最完整的生活在墨西哥尤卡坦半島下方水下迷宮中的微生物群落地圖。

盡管之前的研究人員已經(jīng)從洞穴入口和容易進(jìn)入的天坑中收集了水和微生物樣本，但西北大學(xué)領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)到達(dá)了黑暗的深水通道，以更好地了解什么可以在這個(gè)獨(dú)特的地下王國(guó)中生存。

在分析樣本后，研究人員注意到一個(gè)富含多樣性的系統(tǒng)，并組織成不同的模式。與典型的高中午餐室類似，洞穴系統(tǒng)內(nèi)的微生物群落往往聚集成明確的派系。但有一個(gè)細(xì)菌家族(叢毛單胞菌科)是一種流行的社交蝴蝶——出現(xiàn)在近三分之二的“自助餐廳餐桌”上。研究結(jié)果表明，叢毛單胞菌科是更廣泛群落的生態(tài)關(guān)鍵。

該研究發(fā)表在《應(yīng)用與環(huán)境微生物學(xué)》雜志上。

“這無(wú)疑是世界這一地區(qū)最廣泛的微生物調(diào)查，”領(lǐng)導(dǎo)這項(xiàng)研究的西北大學(xué)馬格達(dá)萊娜·R·奧斯本(MagdalenaR.Osburn)說(shuō)。“這些是非常特殊的地下河樣本，特別難以獲得。從這些樣本中，我們能夠?qū)ι钤谶@些地點(diǎn)的微生物種群的基因進(jìn)行測(cè)序。這個(gè)地下河系統(tǒng)為數(shù)百萬(wàn)人提供了飲用水。所以，無(wú)論微生物群落發(fā)生什么，人類都有可能感受到。”

奧斯本是一位地球生物學(xué)專家，也是西北大學(xué)溫伯格藝術(shù)與科學(xué)學(xué)院地球和行星科學(xué)副教授。

西北大學(xué)校友馬修·塞倫斯基(MatthewSelensky)在奧斯本實(shí)驗(yàn)室攻讀研究生時(shí)，領(lǐng)導(dǎo)了這個(gè)項(xiàng)目，作為他論文的一部分。該研究的合著者帕特里夏·貝多斯(PatriciaBeddows)是溫伯格大學(xué)地球與行星科學(xué)教授，她領(lǐng)導(dǎo)了這次洞穴潛水探險(xiǎn)，并利用了她數(shù)十年在這些洞穴工作的經(jīng)驗(yàn)。西北大學(xué)的其他合著者包括地球和行星科學(xué)教授安德魯·雅各布森(AndrewJacobson)，以及專注于地球化學(xué)的前研究生卡琳·德弗蘭科(KarynDeFranco)。

主要位于墨西哥東南部，廣闊的尤卡坦碳酸鹽含水層布滿了無(wú)數(shù)的天坑，通向復(fù)雜的水下洞穴網(wǎng)絡(luò)。水下網(wǎng)絡(luò)擁有多樣化但尚未得到充分研究的微生物組，包含淡水、海水和兩者的混合物區(qū)域。該系統(tǒng)還包括各種區(qū)域——從漆黑、沒(méi)有直接通向地表的深坑到在陽(yáng)光下閃閃發(fā)光的淺坑。

奧斯本說(shuō)：“尤卡坦半島本質(zhì)上是一塊由洞穴管道組成的瑞士奶酪。”“當(dāng)我們縱觀整個(gè)系統(tǒng)時(shí)，我們很好奇哪些微生物是在一起發(fā)現(xiàn)的，哪些微生物是在一個(gè)‘鄰里’內(nèi)發(fā)現(xiàn)的。”

為了探索這個(gè)問(wèn)題，一組洞穴潛水員從墨西哥金塔納羅奧州加勒比海岸附近的洞穴系統(tǒng)內(nèi)的12個(gè)地點(diǎn)采集了78個(gè)水樣。樣本采集范圍從北端的XunaanHa系統(tǒng)到SacActun系統(tǒng)的內(nèi)陸和沿海部分(包括一個(gè)獨(dú)特的60米深坑)，再到南部的OxBelHa系統(tǒng)。

回到一個(gè)由潛水店改建的科學(xué)實(shí)驗(yàn)室，研究人員從每個(gè)樣本中過(guò)濾出細(xì)胞并分析其化學(xué)成分。接下來(lái)，回到西北大學(xué)，他們通過(guò)DNA測(cè)序來(lái)識(shí)別微生物群落。然后，Selensky開(kāi)發(fā)了一種新的計(jì)算程序來(lái)對(duì)數(shù)據(jù)集進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)分析。

由此產(chǎn)生的網(wǎng)絡(luò)顯示了哪些物種傾向于生活在一起。對(duì)于每個(gè)地點(diǎn)，研究人員考慮了每個(gè)微生物群落的環(huán)境背景，包括洞穴類型(坑或管道)、洞穴系統(tǒng)、距加勒比海岸的距離、地球化學(xué)和在水體中的位置。

研究人員發(fā)現(xiàn)，雖然來(lái)自墨西哥灣的水流入尤卡坦含水層，但該含水層的微生物組與附近海域的微生物組有很大差異。整個(gè)洞穴系統(tǒng)中的微生物群落也各不相同——從洞穴到洞穴，從淺水到深水。

“微生物群落形成了獨(dú)特的生態(tài)位，”奧斯本說(shuō)。“根據(jù)你觀察的位置，似乎有不同的角色在移動(dòng)。但是當(dāng)你縱觀整個(gè)數(shù)據(jù)集時(shí)，有一組核心生物體似乎在每個(gè)生態(tài)系統(tǒng)中發(fā)揮著關(guān)鍵作用。”

奧斯本和她的團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)叢毛單胞菌科(Comamonadaceae)是地下水系統(tǒng)中常見(jiàn)的一類細(xì)菌，生活在多個(gè)生態(tài)位中。他們還發(fā)現(xiàn)，一個(gè)深坑狀的天坑，表面有一個(gè)開(kāi)口(允許陽(yáng)光照射進(jìn)來(lái))，里面棲息著最多的微生物群落——在整個(gè)水柱中被隔離成層層不同的生態(tài)位。

奧斯本說(shuō)：“看來(lái)叢毛藻科在含水層的不同部分發(fā)揮的作用略有不同，但它始終發(fā)揮著重要作用。”“根據(jù)地區(qū)的不同，它有不同的伙伴。叢毛單胞菌科及其伙伴可能有一些互利的新陳代謝，可能會(huì)分享食物。”

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