Uncovering diversity and metabolic spectrum of animals in dead zone sediments  

揭示死區(qū)沉積物中動(dòng)物的多樣性與代謝譜  

來(lái)源：COMMUNICATIONS BIOLOGY | (2020) 3:106 

《通訊-生物學(xué)》2020年第3卷第106期

 

摘要核心內(nèi)容

 

研究首次結(jié)合地球化學(xué)、顯微鏡和RNA測(cè)序技術(shù)，分析了全球最大死區(qū)（波羅的海）沉積物沿氧氣梯度的微型后生動(dòng)物分類(lèi)群和代謝功能。發(fā)現(xiàn)線蟲(chóng)在氧氣濃度低于1.8 μmol L?1時(shí)仍保持代謝活性，其多樣性和群落結(jié)構(gòu)在低氧區(qū)域存在顯著差異，可能與硫化氫（H?S）毒性及其被氧氣或硝酸鹽氧化的潛力相關(guān)。浮游動(dòng)物休眠階段主導(dǎo)后生動(dòng)物群落，其可能利用細(xì)胞色素c氧化酶（COX）作為氧傳感器來(lái)解除休眠狀態(tài)。研究揭示了動(dòng)物適應(yīng)極端環(huán)境的機(jī)制，這些生物資源對(duì)死區(qū)氧氣條件改善后的再定殖至關(guān)重要。  

 

研究目的

 

1. 評(píng)估死區(qū)沉積物中后生動(dòng)物的多樣性及代謝活性  

2. 探究低氧/硫化氫環(huán)境對(duì)動(dòng)物群落結(jié)構(gòu)的影響機(jī)制  

3. 解析休眠生物（如浮游動(dòng)物卵）的氧感應(yīng)策略  

 

研究思路

 

1. 梯度采樣設(shè)計(jì)：  

   ? 沿波羅的海氧氣梯度設(shè)置4個(gè)站點(diǎn)（圖1）：  

 

     ? A站（60米，富氧）、D站（130米，嚴(yán)重缺氧）、E站（170米，缺氧含N?O）、F站（210米，缺氧含H?S）  

 

   ? 采集沉積物巖心（0-2 cm層）和水體樣品  

 

2. 微剖面測(cè)量：  

   ? 使用丹麥Unisense微電極測(cè)量沉積物孔隙水的O?、H?S、N?O垂直分布（圖2，表1）  

 

 

3. 分子分析：  

   ? RNA測(cè)序（18S rRNA和mRNA）分析真核生物分類(lèi)及功能基因（圖3-6）  

 

 

 

 

4. 顯微鏡驗(yàn)證：  

   ? 形態(tài)學(xué)鑒定優(yōu)勢(shì)線蟲(chóng)和浮游動(dòng)物休眠卵（圖7）  

 

測(cè)量數(shù)據(jù)及研究意義

 

1. 氧氣與硫化物梯度數(shù)據(jù)（圖2，表1）  

   ? 數(shù)據(jù)：A站沉積物氧滲透深度7.0 mm，E站僅0.7 mm；D站H?S濃度高達(dá)85 μmol L?1（1 cm深度）  

 

   ? 意義：證實(shí)硫化氫與氧氣呈顯著負(fù)相關(guān)（rho=-0.78, P<0.001），解釋群落結(jié)構(gòu)差異的化學(xué)驅(qū)動(dòng)因素  

 

2. 線蟲(chóng)群落分布（圖4c）  

   ? 數(shù)據(jù)：富氧站（A）線蟲(chóng)相對(duì)豐度7.64±0.55%，缺氧站（E）為5.43±2.16%；Halomonhystera在E站占比73.9±9.3%  

 

   ? 意義：揭示線蟲(chóng)通過(guò)硫化氫氧化生態(tài)位（如E站反硝化-硫氧化耦合區(qū)）或代謝下調(diào)適應(yīng)極端環(huán)境  

 

3. 浮游動(dòng)物休眠機(jī)制（圖5）  

   ? 數(shù)據(jù)：缺氧站（D-F）浮游動(dòng)物休眠卵中COX亞基I（IPR000883）表達(dá)量高  

 

   ? 意義：COX可能作為氧傳感器，觸發(fā)休眠卵在氧氣恢復(fù)時(shí)孵化，形成"種子庫(kù)"  

 

4. 代謝功能基因（圖5-6）  

   ? 數(shù)據(jù)：缺氧站線蟲(chóng)表達(dá)糖酵解酶（如丙酮酸激酶）和應(yīng)激蛋白（如HSP20）；富氧站富集轉(zhuǎn)錄/翻譯相關(guān)蛋白  

 

   ? 意義：證實(shí)動(dòng)物通過(guò)厭氧代謝和代謝停滯策略在死區(qū)存活  

 

結(jié)論

 

1. 線蟲(chóng)適應(yīng)性：在缺氧/硫化氫環(huán)境中通過(guò)生態(tài)位分化（如硫氧化區(qū)）或代謝下調(diào)存活，Halomonhystera和Sabatieria為優(yōu)勢(shì)耐受屬  

2. 休眠策略：浮游動(dòng)物（如Bosmina和輪蟲(chóng)）以休眠卵形式積累，COX亞基I可能介導(dǎo)氧感應(yīng)孵化機(jī)制  

3. 生態(tài)啟示：死區(qū)沉積物存在活躍的動(dòng)物群落和休眠"種子庫(kù)"，為環(huán)境恢復(fù)后的再定殖提供生物資源  

 

丹麥Unisense電極測(cè)量數(shù)據(jù)的研究意義

 

1. 高分辨率原位監(jiān)測(cè)：  

   ? 微米級(jí)垂直剖面揭示O?、H?S、N?O的耦合關(guān)系（圖2e-h），如E站N?O峰值（471 nmol L?1）與H?S氧化區(qū)的重疊  

 

   ? 精準(zhǔn)定位氧化還原界面（如O?滲透深度僅0.7 mm），避免采樣擾動(dòng)導(dǎo)致的誤差  

 

2. 支撐動(dòng)物生存機(jī)制解析：  

   ? 證實(shí)線蟲(chóng)在極低氧濃度（≤1.8 μmol L?1）下的代謝活性，挑戰(zhàn)傳統(tǒng)死區(qū)無(wú)生命的認(rèn)知  

 

   ? 揭示H?S毒性閾值（>14 μmol L?1）對(duì)群落的抑制作用，解釋D站低多樣性的原因  

 

3. 生物地球化學(xué)過(guò)程指示：  

   ? N?O熱點(diǎn)指示反硝化-硫氧化耦合過(guò)程，為動(dòng)物提供低毒微生境（如E站）  

 

   ? O?-H?S負(fù)相關(guān)量化硫化物對(duì)動(dòng)物分布的調(diào)控作用，為群落模型提供關(guān)鍵參數(shù)