尤卡坦州的水下洞穴擁有多種微生物群落

在經(jīng)驗豐富的水下洞穴潛水團隊的幫助下，西北大學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入的天坑中收集了水和微生物樣本，但西北大學領(lǐng)導的團隊到達了黑暗的深水通道，以更好地了解什么可以在這個獨特的地下王國中生存。

在分析樣本后，研究人員注意到一個富含多樣性的系統(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。但有一個細菌家族(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《應用與環(huán)境微生物學》雜志上。

“這無疑是世界這一地區(qū)最廣泛的微生物調(diào)查，”領(lǐng)導這項研究的西北大學馬格達萊娜·R·奧斯本(MagdalenaR.Osburn)說。“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@些地點的微生物種群的基因進行測序。這個地下河系統(tǒng)為數(shù)百萬人提供了飲用水。所以，無論微生物群落發(fā)生什么，人類都有可能感受到。”

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

西北大學校友馬修·塞倫斯基(MatthewSelensky)在奧斯本實驗室攻讀研究生時，領(lǐng)導了這個項目，作為他論文的一部分。該研究的合著者帕特里夏·貝多斯(PatriciaBeddows)是溫伯格大學地球與行星科學教授，她領(lǐng)導了這次洞穴潛水探險，并利用了她數(shù)十年在這些洞穴工作的經(jīng)驗。西北大學的其他合著者包括地球和行星科學教授安德魯·雅各布森(AndrewJacobson)，以及專注于地球化學的前研究生卡琳·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數(shù)的天坑，通向復雜的水下洞穴網(wǎng)絡。水下網(wǎng)絡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、沒有直接通向地表的深坑到在陽光下閃閃發(fā)光的淺坑。

奧斯本說：“尤卡坦半島本質(zhì)上是一塊由洞穴管道組成的瑞士奶酪。”“當我們縱觀整個系統(tǒng)時，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‘鄰里’內(nèi)發(fā)現(xiàn)的。”

為了探索這個問題，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個地點采集了78個水樣。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(包括一個獨特的60米深坑)，再到南部的OxBelHa系統(tǒng)。

回到一個由潛水店改建的科學實驗室，研究人員從每個樣本中過濾出細胞并分析其化學成分。接下來，回到西北大學，他們通過DNA測序來識別微生物群落。然后，Selensky開發(fā)了一種新的計算程序來對數(shù)據(jù)集進行網(wǎng)絡分析。

由此產(chǎn)生的網(wǎng)絡顯示了哪些物種傾向于生活在一起。對于每個地點，研究人員考慮了每個微生物群落的環(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、地球化學和在水體中的位置。

研究人員發(fā)現(xiàn)，雖然來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特的生態(tài)位，”奧斯本說。“根據(jù)你觀察的位置，似乎有不同的角色在移動。但是當你縱觀整個數(shù)據(jù)集時，有一組核心生物體似乎在每個生態(tài)系統(tǒng)中發(fā)揮著關(guān)鍵作用。”

奧斯本和她的團隊發(fā)現(xiàn)叢毛單胞菌科(Comamonadaceae)是地下水系統(tǒng)中常見的一類細菌，生活在多個生態(tài)位中。他們還發(fā)現(xiàn)，一個深坑狀的天坑，表面有一個開口(允許陽光照射進來)，里面棲息著最多的微生物群落——在整個水柱中被隔離成層層不同的生態(tài)位。

奧斯本說：“看來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，可能會分享食物。”

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