Cell Host & Microbe | 上海交大肖湘团队揭示海沟地形孕育深渊微生物热点

深海沉积物中的微生物通常随着埋藏深度增加而快速减少，这已经是海洋生态学里的一个经典规律了，但水深超过6000米的海沟区域是否完全遵循这个规律，过去的研究其实并没有给出很确定的答案。2026年7月22日，上海交通大学肖湘教授团队的这项研究正式发表在《Cell Host & Microbe》期刊上，论文的英文标题是“Hadal topography incubates hidden microbial hotspots in the deepest ocean”。研究团队借助“奋斗者号”载人深潜器在马里亚纳海沟开展了针对不同微地形的精准采样作业，他们把宏基因组、宏蛋白质组、地球化学指标和高分辨率海底地形图综合到一起来分析，结果发现决定深渊微生物怎么分布和怎么活动的关键因素并不是水深，而是海底那些起伏不平的微小地形。

研究团队用多波束声呐绘制了分辨率达到110米的海底地形图，他们给每个网格计算了一个叫地形位置指数（TPI）的数值，TPI为负值代表凹陷的谷地，正值代表凸起的山脊。通过对11个深潜站位和另外44个站位总共86根沉积物岩芯的地球化学指标进行系统比对，团队发现TPI对沉积物中总有机碳含量、碳氮比值和有机碳同位素值的解释能力达到了16%，而传统上认为最重要的水深只解释了9%的变异性，沉积深度也才解释了3%。凹陷地形的沉积物里总有机碳含量普遍超过0.3%，碳氮比值大于6.5，有机碳的δ¹³C值落在-19‰到-23‰之间，这些都是新鲜海洋有机质的典型特征，凸起地形的沉积物总有机碳含量只有0.1%到0.3%，碳氮比值降到了2.5到6之间，δ¹³C值偏负到-26‰至-23‰，说明那里的有机质已经被微生物降解得很彻底了。

研究团队对所有站位上普遍存在的物种级基因组进行了共现网络分析，他们发现TPI越低的凹陷位置微生物之间的关联越复杂和紧密，TPI小于-500的那些深凹陷里网络密度达到了0.006，度中心性也有0.05，网络中还出现了约2%的负相关连接，这些负相关把整个网络切分成两个大的模块，一个模块主要是Chloroflexota门的成员，另一个模块则混合了Planctomycetota、Nanoarchaeota和Patescibacteria等多个门类的物种。TPI介于-500和0之间的过渡地形上网络密度降到了0.003，负相关连接完全消失了，Pseudomonas属的基因组在混合模块外围形成了一个很显眼的集群，TPI大于0的凸起位置网络密度进一步掉到了0.002，大部分物种只有很少的几个互作伙伴，整个群落里找不到连接度特别高的核心物种。宏蛋白质组的分析结果更加直观地展示了不同地形上的代谢差异，海沟底部那个TPI为-910的站位在整个沉积物柱里都维持着很高的蛋白表达多样性，深层沉积物里依然能检测到亚硝酸盐还原、一氧化碳代谢和硫酸盐还原这些厌氧过程的酶蛋白，而在坡度上相邻的两个站位，凹陷点（TPI=-383）的表层沉积物富集了碳储存调控、生物膜形成和DNA修复相关的功能蛋白，18到20厘米深处仍然有227个物种级基因组在表达蛋白，凸起点（TPI=114）的表层沉积物虽然表达了重金属解毒和活性氧清除这些胁迫适应蛋白，但2到4厘米深处就只剩下92个基因组还有蛋白表达，更深的地方几乎检测不到任何功能蛋白了。

研究团队还建立了一个反应-运移数学模型来定量估算沉积物中的微生物碳利用速率，他们把有氧呼吸、硝酸盐还原、反硝化、异化硝酸盐还原为铵和硫酸盐还原这几个过程的速率加总起来定义了一个叫“微生物碳利用”的指标。模型校准以后的结果显示有机碳进入沉积物的通量和TPI之间存在很强的线性关系（R²=0.64），和水深的关系却很弱（R²=0.09），微生物碳利用速率同样和TPI高度相关（R²=0.58），TPI每降低一个单位这个速率就要增加37.8 μmol C·m⁻²·yr⁻¹。研究团队利用整个海槽的高分辨率地形数据做了空间外推，他们发现在海沟斜坡上那些凹陷的断层谷地里有大量之前从未被注意到的微生物活动热点，这些地方的微生物碳利用速率最高能达到5.9×10⁴ μmol C·m⁻²·yr⁻¹，比整个研究区域的平均值1.8×10⁴ μmol C·m⁻²·yr⁻¹高出了两倍多。研究团队还追踪了物种级基因组内部的微多样性来推断微生物的扩散方向，他们发现来自海沟底部和斜坡凹陷位置的微生物种群有向上扩散到较浅水深的迹象，说明这些凹陷地带可能充当着深渊微生物向外部海洋输送的中间枢纽。

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