探秘切萨皮克湾：解析氧化还原梯度下微生物群落结构与基因组潜能的奥秘

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《Microbiology Resource Announcements 0.7》：Size-fractionated metagenomic depth profiles from two sulfidic stations in the Chesapeake Bay

【字体：大中小】 时间：2025年03月26日 来源：Microbiology Resource Announcements 0.7

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　　本文聚焦切萨皮克湾，研究人员采集了 45 个大小分级的宏基因组样本。通过分析不同氧化还原条件和颗粒关联的微生物群落结构及基因组潜能，有望揭示微生物在河口生态系统中的重要作用，为相关生态研究提供关键数据支持。

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切萨皮克湾宏基因组研究背景

切萨皮克湾是一个浅（<25 米）的分层富营养化河口，其盐度在 5 - 18 的中盐度区域，每年夏季都会出现底水硫化物积累的现象。微生物群落组成会随着氧气 - 硫化物梯度以及颗粒大小的变化而发生显著改变。为了深入探究这种变化，研究人员针对该区域开展了一项宏基因组研究，旨在分析不同氧化还原条件和颗粒大小（自由生活 [0.2 - 3μm]、小 [3 - 30μm]、中 [30 - 180μm] 和大 [>180μm] 级分）下微生物群落结构和基因组潜能的变化。

样本采集与处理

研究人员于 2021 年 8 月 12 日和 13 日，乘坐 R/V Rachel Carson 号研究船，在切萨皮克湾项目的 CB3.3（北纬 38° 59.761′，西经 76° 21.583′）和 CB4.3（北纬 38° 33.276′，西经 76° 25.891′）两个站点进行样本采集。利用 5L Niskin 瓶和 CTD（电导率 - 温度 - 深度仪）采水器收集河口海水。通过 Sea - Bird SBE 43 溶解氧传感器测量氧气含量，在生物需氧量（BOD）瓶中收集用于硫化物分析的样本，并使用醋酸锌固定，之后采用比色法进行分析。

水样采集后，使用 Masterflex L/S 蠕动泵，搭配 EasyLoad II 泵头和 Masterflex C - flex Ultra 管道，依次通过 47mm 180μm 尼龙网（Millipore）、47mm 30μm 尼龙网（Millipore）、142mm 3μm 聚碳酸酯（Isopore）和 142mm 0.2μm 纤维素酯（Millipore）四种过滤器进行过滤。过滤后的样本迅速在液氮中速冻，并存储于 - 80°C 冰箱。每个站点在不同深度使用独立的过滤装置，且在站点之间，所有过滤装置都会进行拆卸和清洗，包括酸洗。

对于 142mm 的过滤器，使用经过消毒的金属皮革打孔器，切取直径 45mm（占总面积 13%）的圆盘用于 DNA 提取；对于 47mm 的过滤器，则直接对整个过滤器进行提取。在每个样本中加入 4ng 嗜热栖热菌（Thermus thermophilus）菌株 HB8 的基因组 DNA 作为提取标准，并添加裂解缓冲液。经过 3 次反复冻融循环后，依次加入十二烷基硫酸钠（SDS）、溶菌酶和蛋白酶 K 进行孵育，随后采用酚 / 氯仿萃取法提取 DNA。使用异丙醇沉淀 DNA，再将其溶解在 Tris - EDTA 缓冲液中，并使用 Qubit 4.0 进行定量分析。最终，有 3 个 DNA 含量低于 20ng 的样本未进行后续研究。

测序与数据分析

大部分样本（n = 34）被送往美国能源部联合基因组研究所（JGI）进行文库构建和测序。文库构建采用 KAPA Hyper Prep 试剂盒，在 Illumina NOVA - Seq6000 平台上进行双端 150bp 测序。测序后的文库按照 JGI 标准宏基因组工作流程进行处理。首先，使用 BBDuk v39.03 软件对 reads 进行过滤和修剪，去除污染物、接头序列、同聚物、光学重复序列以及低质量 reads。接着，使用 bbcms v38.90 软件对 read 文库进行错误校正，设置参数 mincount = 2 和 highcountfraction = 0.6，之后使用 metaSPADES v3.15.2 软件进行单独组装。

另外 11 个样本被送往西北基因组中心（NWGC；西雅图，华盛顿），同样使用 KAPA Hyper Prep 试剂盒（KR0961 v1.14）构建文库，并在 Illumina NOVA - Seq6000 平台上测序。在该中心，使用 Trimmomatic v.0.39 软件进行质量控制，利用 metaSPADES v3.15.3 软件进行组装。

研究成果与意义

通过对这些样本的研究，研究人员获得了大量关于切萨皮克湾微生物群落的信息。这些样本能够用于定量分析不同氧化还原梯度下颗粒中的微生物，有助于揭示微生物群落结构和功能在不同环境条件下的变化规律。从基因组潜能的角度出发，研究结果可能会为理解微生物在河口生态系统中的代谢途径、生态适应性以及它们在物质循环和能量流动中所扮演的角色提供重要线索。这不仅能够加深人们对河口生态系统的认识，还可能为相关生态环境问题的解决，如富营养化治理、水质改善等，提供理论依据和潜在的解决方案，对推动生命科学和健康医学领域在河口生态系统相关研究方面具有重要意义。

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