古菌DNA和類脂物

1、古菌分子生態(tài)和類脂物研究進(jìn)展Chuanlun ZhangDepartment of Marine Sicences, University of Georgia, Athens, Georgia 30602, USA黃咸雨 生物地質(zhì)與環(huán)境地質(zhì)教育部重點實驗室，中國地質(zhì)大學(xué)（武漢），武漢 430074 摘要原先認(rèn)為古菌只存在于極端環(huán)境，如海底熱液噴口，陸地?zé)崛?。?1992 年，兩篇具有 開創(chuàng)性的研究論文（Furman et al., 1992; DeLong, 1992）提出海岸和開闊海域存在非嗜熱泉古 菌。此后，非嗜熱泉古菌研究得到了充分的重視?，F(xiàn)有資料清楚地顯示，非嗜熱泉古菌廣 泛地分布于

2、各種海相和陸相常溫環(huán)境。同期，研究者發(fā)現(xiàn)一類新的、可以厭氧氧化甲烷的 廣古菌，這對甲烷循環(huán)和全球氣候變化有著深刻影響。此外，液相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀（LC-MS） 的飛速發(fā)展，使得可以快速檢測各種古菌類脂物，尤其是一些大分子化合物，如甘油二烷 基甘油四醚（GDGT）。古菌類生物標(biāo)記化合物研究提供了古菌分布、功能和進(jìn)化的新認(rèn)識， 同時也促進(jìn)了古菌古氣候應(yīng)用。本章概述海洋、土壤和熱泉環(huán)境中古菌生態(tài)和生物地球化 學(xué)研究的最新進(jìn)展。由于絕大部分研究是在海洋生態(tài)系統(tǒng)中開展，因此本文將更多介紹海 洋古菌的分布和生態(tài)功能。1古菌分子生態(tài)1.1海洋古菌采用免培養(yǎng)分子生物學(xué)技術(shù)，上世紀(jì) 90年代初的兩篇開創(chuàng)性論文發(fā)

3、現(xiàn)非嗜熱古菌（泉 古菌和廣古菌）存在于開闊海域和海岸海水中 （DeLong, 1992; Fuhrman et al., 1992）。這糾正 了以前的偏見：泉古菌只存在于海底熱液噴口或陸地?zé)崛葮O端環(huán)境中。此后，非嗜熱古菌 研究得到了充分的重視?，F(xiàn)有資料清楚地顯示它們廣泛地存在于各種低溫海洋和陸地環(huán)境 （參見綜述Schleper et al., 2005）?？偟膩碚f，在海洋水柱中，以Group I泉古菌 和Group II 廣古菌為主。在海洋沉積物中，除了上述兩類，還存在多種古菌群落，包括海洋底棲泉 古菌，混雜泉古菌和一種未鑒定的廣古菌群 （Vetriani et al., 1999; Ina

4、gaki et al., 2006; Biddle et al., 2006）。此外，甲烷厭氧氧化古菌（ANME）廣泛地分布在與甲烷水合物，冷泉和富含 有機(jī)質(zhì)沉積物等相關(guān)的環(huán)境（如：Boetius et al., 2000; Orphan et al., 2001; Mills et al., 2003; Knittel et al., 2005），以及黑海和 Cariaco 盆地等缺氧水體中（Madrid et al., 2001; Durisch-Kaiser et al., 2005; Schubert et al., 2006）。水柱和海底沉積物中非嗜熱古菌的發(fā)現(xiàn)和多樣性。首次海洋浮游

5、古菌的16S rRNA基因 檢測包含一些與極端嗜熱古菌緊密相關(guān)的種 （Furman et al., 1992; DeLong, 1992）。起初尚不 能確認(rèn)此種現(xiàn)象，因為這些古菌有可能來自熱液噴口。但是， DeLong 和合作者很快在冰冷 的北極水體中發(fā)現(xiàn)了高含量的古菌（DeLong et al., 1994）；還在嗜冷的海綿中發(fā)現(xiàn)了共生的 泉古菌（Preston et al., 1996）。這些研究明確地支持新發(fā)現(xiàn)的古菌原產(chǎn)于低溫海洋環(huán)境。從 此以后，大量的新古菌類型幾乎在海洋生物圈的每一個環(huán)境下得到檢測，包括從太平洋和大 西洋的表層到深部以及海底深層沉積物（詳細(xì)請參考綜述Schelper

6、et al., 2005）。據(jù)目前所知， 浮游古菌的絕大部分屬于Group I.1A泉古菌和Group II廣古菌。Group I.1A泉古菌主要 分布于深層海水（200米），而Group II廣古菌主要出現(xiàn)在透光層（200米），同時也分布 于深層海水中 (Massana et al., 1997; Karner et al., 2001; Herndl et al., 2005; DeLong et al., 2006; Teira et al., 2006)。海底沉積物中非嗜熱古菌主要發(fā)現(xiàn)于冷泉和甲烷水合物相關(guān)的環(huán)境中，甲烷作為能量來 源維持著甲烷厭氧氧化(AOM)和硫酸鹽還原反應(yīng)(Hin

7、richs et al., 1999; Orphan et al., 2001)。 在深海沉積物擴(kuò)散條件下，甲烷和硫酸鹽流量很低，AOM過程發(fā)生在硫酸鹽-甲烷過渡帶 (SMTZ) (Biddle et al., 2006)。在冷泉和甲烷水合物環(huán)境中，古菌群落主要是尚未獲得培養(yǎng)的廣古菌ANME群，它們 可以厭氧氧化甲烷(如：Inagaki et al., 2003; Biddle et al., 2006; Inagaki et al., 2006; Kendall et al., 2007)。具體來說，ANME-1和ANME-2是最主要的甲烷厭氧氧化菌群，盡管它們的相 對分布在不同的地點存在較

8、大差異。比如，在黑海以ANME-1為主，在水合物脊中以ANME-2 為主(Knittel et al., 2005; Nauhaus et al., 2005)。在墨西哥灣，ANME-1 和 ANME-2 都普遍存 在(Lanoil et al., 2001; Mills et al., 2003; Lloyd et al., 2006; Reed et al., 2006; Pi et al., in revision)。在秘魯海岸高生產(chǎn)力表層海水之下的擴(kuò)散環(huán)境中，沉積物中古菌群落主要是海洋 底棲泉古菌B組和泉古菌混雜組，沒有檢測到ANME-1和ANME-2( Biddle et al.,

9、2006 )。 在其他一些非冷泉和非甲烷水合物深海沉積物中，同樣以非嗜熱泉古菌和非ANME廣古菌 為主 (如： Vetriani et al., 1999; Inagaki et al., 2003; Lanoil et al., 2005; Wang et al., 2005; Inagaki et al., 2006)。特別地，海洋底棲泉古菌B組和Thermoplasma tales廣泛地分布與全球正常海 相沉積物中(Orphan et al., 2001; Teske, 2006)。水柱和海底沉積物中非嗜熱古菌的豐度。在開闊海域發(fā)現(xiàn)了大量的非嗜熱古菌，這更加 凸顯了非嗜熱古菌在海洋生態(tài)系

10、統(tǒng)中的重要性。早期在溫帶海岸和極地海水中進(jìn)行的一項浮 游古菌含量評價顯示，非嗜熱古菌占原核生物總量的 10-30%(DeLong， 1992)。公元 2001 年，一項在太平洋進(jìn)行的大型研究發(fā)現(xiàn)古菌主要出現(xiàn)在該區(qū)域水體的中層 (Karner et al., 2001)。為期12個月的逐月取樣分析顯示，浮游泉古菌構(gòu)成了150米以下微型浮游生物的大 部分，且相對含量隨深度增加，可占微型浮游生物總量的 40% (Karner et al., 2001)。該研究 估計全球海洋可產(chǎn)大約1.3X 1028個古菌細(xì)胞，與細(xì)菌細(xì)胞總數(shù)(3.1 X 1028)處于同一數(shù)量 級 (Karner et al., 2

11、001)。另一項在大西洋展開的綜合研究采用改進(jìn)的催化信使沉積-熒光原位 雜交法和獨特的低核苷酸探針，結(jié)果顯示在100米深度以下古菌豐度始終比細(xì)菌高 (Herndl et al., 2005)；在北大西洋最小含氧層古菌占原核生物總產(chǎn)量的 13-27%，在 Labrador 海占 41-84%，在北大西洋深層海水中占10-20% (Herndl et al., 2005)。一般認(rèn)為 Group I 泉古菌構(gòu)成了深海浮游古菌的主體，但也有例外。在北太平洋副熱帶 環(huán)流真光層以下，與熱泉進(jìn)化枝 pSL12 相關(guān)的一支古老泉古菌的含量超過了 Group I 泉古菌 (Mincer et al., 2007

12、) 。這暗示著未知環(huán)境條件可以促進(jìn)不同類別泉古菌的生長。另一項研究 觀察到了黑海次氧層異常富集的Group I泉古菌，可達(dá)古菌16S rRNA基因拷貝總數(shù)的98% (Coolen et al., 2007)。該發(fā)現(xiàn)揭示出這些浮游泉古菌是微量需氧的，可以忍受次氧條件。海洋沉積物中古菌的評價常因這些微生物在多孔介質(zhì)中非均勻分布變得復(fù)雜化。地球化 學(xué)指標(biāo)顯示產(chǎn)自海底沉積物的甲烷有 90%在進(jìn)入水柱前就已經(jīng)被消耗掉 (Valentine and Reeburgh, 2000)，這意味著大量的甲烷氧化古菌存在于海底沉積物中，且在控制進(jìn)入大氣的 甲烷通量方面起著重要作用。 其他研究估計海底沉積物中古菌含量

13、占總生物量的 0.01%-30%，較高含量常常發(fā)生在靠近海底表層沉積物(Vetriani et al., 1999; Inakagi et al., 2006)。水柱和海底沉積物非嗜熱古菌的代謝途徑 。受益于環(huán)境基因組學(xué)的發(fā)展 (Venter et al., 2004; Schleper et al., 2005; Hallam et al., 2006a)及與海綿共生的單一泉古菌種系型 Cenarchaeum symbiosium 的基因組分析 (Preston et al., 1996; Hallam et al., 2006b) ，研究者開 始探討非嗜熱古菌的生理和生物化學(xué)性質(zhì)。新近分離

14、得到的Nitrosopumilus maritimus開啟了 非嗜熱泉古菌生理學(xué)研究的新境界(K&nneke et al., 2005)。大量證據(jù)支持某些非嗜熱泉古菌 可以通過氧化氨來獲取自養(yǎng)生長所需的能量(Francis et al., 2005; Kdnneke et al., 2005; Nicol and Schleper, 2006; Wuchter et al., 2006)。一些分子和地球化學(xué)研究反映出嗜熱泉古菌可以利 用氨基酸和有機(jī)碳，這意味著某些泉古菌是異養(yǎng)或兼養(yǎng)微生物 (Biddle et al., 2006; Herndl et al., 2005; Ingalls et

15、 al., 2006; Ouverney et al., 2000; Teira et al., 2006) 。最近的一項研究表明底 棲泉古菌可以氧化甲烷攝取能量，而利用其他有機(jī)碳作為生長所需的碳源 (Biddle et al., 2006)。另一方面，ANME群廣古菌被認(rèn)為可以通過反向的產(chǎn)甲烷途徑氧化甲烷(Boetius et al., 2000; Hallam et al., 2003, 2004)。雖然缺乏培養(yǎng)的ANME供詳細(xì)的生物化學(xué)研究，但根據(jù)G+C 含量和全基因鳥槍法測序覆蓋深度，Eel River盆地沉積物樣品AOM群落基因組學(xué)分析可以 區(qū)分 ANME-1 和 ANME-2(Ha

16、llam et al., 2004 )。Hallam et al. (2004)表明 ANME-1 具備與 產(chǎn)甲烷相關(guān)的幾乎全部基因，除了 mer基因編碼的一段。ANME-1中缺少mer被認(rèn)為可以 增加亞甲基-H4MPT向甲基-H4MPT轉(zhuǎn)化的活化能從而促進(jìn)甲烷厭氧氧化?？偟膩碚f,ANME 具有與產(chǎn)甲烷作用相關(guān)的幾乎全部基因，強(qiáng)有力地支持甲烷厭氧氧化采用反向的產(chǎn)甲烷途徑 這一假說。另一方面，Group II廣古菌具有捕光蛋白(proteorhodopsins)，暗示著這些獨特的廣古菌 有細(xì)胞光能代謝能力 (DeLong et al., 2006; Frigaard et al., 2006)。

17、非嗜熱古菌對深海碳氮循環(huán)的貢獻(xiàn)。研究表明，深海非嗜熱古菌主要是化能自養(yǎng)，有可 能以氨為主要的能量來源。Herndl et al.(2005)報道的亮氨酸合成證據(jù)顯示，含氧水柱中生長 活躍的古菌利用碳酸氫根或CO2作為碳源，它們在100到2790米的北大西洋水體原核群落 中數(shù)量占優(yōu)勢。 Ingalls et al. (2006) 利用天然放射性碳同位素定量評價北太平洋副熱帶環(huán)流中 古菌自養(yǎng)群落。結(jié)果顯示，基于同位素質(zhì)量平衡模型， 83%的古菌自養(yǎng)固定深海中貧 14C 的溶解 無機(jī)碳，而其他的古菌則異養(yǎng)消耗富含 14C 的現(xiàn)代有機(jī)碳。根據(jù)深度整合的碳固定平均速率(每 個古菌每天固定0.014 fm

18、ol碳)和全球海洋古菌細(xì)胞總量(1.3X 1028)，Herndl et al., (2005)計 算出全球無機(jī)碳固定速率為6.55 X 1013 mol C y-1。這一全球碳固定速率與根據(jù)古菌硝化作用 估算的結(jié)果相吻合(3.3X1013 mol C y-1，假定氨全部被泉古菌氧化，而每氧化10個氨分子 固定一個碳原子) (Wuchter et al., 2006)。以上估算結(jié)果的一致性反映出，與固定無機(jī)碳耦合 的古菌硝化作用可以顯著地影響全球海洋碳、氮元素的生物地球化學(xué)循環(huán)。海洋中產(chǎn)甲烷菌生成甲烷也是一個主要的co2匯，只是它固定碳的量比全球海洋泉古 菌(8 X1011mol C y-1)

19、低兩個數(shù)量級(Herndl et al., 2005)。在海底沉積物中，產(chǎn)甲烷菌是硫酸 鹽還原帶之下唯一的生物甲烷來源；在硫酸鹽還原帶內(nèi)，甲烷氧化古菌協(xié)同硫酸鹽還原菌消 耗甲烷。盡管異養(yǎng)泉古菌可以異化分解甲烷(Biddle et al., 2006)，只是目前還不清楚它們對甲 烷消耗的相對貢獻(xiàn)。在以上兩種情況中，甲烷厭氧氧化產(chǎn)生的大部分co2被轉(zhuǎn)化成碳酸鹽 礦物，構(gòu)成了海底沉積物的主要部分，或者在洋底形成碳酸鹽隆起。這種現(xiàn)象在墨西哥灣 (Formolo et al., 2004; Sassen et al., 2004)以及其他富含甲烷的海底沉積物(e.g., Aloisi et al., 2

20、002)中很常見。從全球來看，非常巨大數(shù)量的甲烷(10 萬億噸)被儲存在海底沉積物或 含水合物隆起中。這是一種繼石油和煤之后非常有誘惑力的替代能源。1.2. 土壤古菌大量屬于Group I.lb泉古菌的克隆序列被發(fā)現(xiàn)于草地土壤(Nicol et al., 2003)，耕作土 (Furlong et al., 2002)，和牧場土壤(Borneman & Triplett, 1997)。來自土壤 fosmid 庫文件 54d9 (從草地石灰土分離得到的一段43.3 kb的宏基因片段)的16S rRNA基因也與Group I.1b 泉古菌相關(guān)(Treusch et al., 2005)。Group

21、 1.2泉古菌包含少量分離自海底和湖泊沉積物的序列 (Hershberger et al., 1996, Ventrini et al., 1999)。Group I.1c 泉古菌的大部分克隆序列提取自森 林土壤(Kemnitz et al., 2007)。比如，Jurgens et al.(1997)命名的芬蘭森林土 B 型(FFSB)序 列屬于該組。屬于Group 1.3泉古菌的序列經(jīng)常被發(fā)現(xiàn)于土壤、淡水和廢水環(huán)境中 (Ochsenreiter et al., 2003)，如石油污染土壤(Kasai et al., 2005)，稻田土壤(Gro Kopf et al., 1998)，富含金

22、屬的淡水水庫(Stein et al., 2002)，厭氧發(fā)酵池(Godon et al., 1997)，以及淡水沉 積物(Jurgen et al., 2000; Schleper et al., 1997)。Group I.1a 泉古菌 rDNA 克隆主要來自酸性森 林土壤(Kemnitz et al., 2007)，受污染含水層(Dojka et al., 1998)，地表深處(Chandler et al., 1998)，及海洋微型浮游生物群(DeLong, 1992; Preston et al., 1996; Konneke et al., 2005)。盡管非嗜熱古菌在土壤中廣泛分

23、布，由于缺乏實驗室培養(yǎng)的菌株，我們對自然界土壤泉 古菌的生理屬性和生態(tài)功能缺乏了解。最近一些宏基因組研究提供了多重證據(jù)：多數(shù)土壤泉 古菌可以進(jìn)行氨氧化(Schleper et al., 2005; Treusch et al., 2005)。前期研究顯示化能自養(yǎng)氨氧 化細(xì)菌(AOB)可以完成硝化作用的第一個速控步將氨離子轉(zhuǎn)化為亞硝酸根離子。目 前已知的全部陸地 AOB都屬于變形菌 卩亞枝內(nèi)的一個單源組，包括 Ntrosomonas和 Nitrosospira 屬的一些種(Head et al., 1993)。 只有 Nitrosococus oceani 和 Nitrosococus halo

24、philus屬于變形菌y亞枝，且它們只被發(fā)現(xiàn)于嗜鹽和海洋環(huán)境中(Ward et. al., 2002)。幾 年以前，人們還認(rèn)為只有細(xì)菌可以氧化氨。但是近幾年的一些研究顯示氨氧化古菌(AOA) 存在于多種生態(tài)環(huán)境，包括海洋和陸地生態(tài)系統(tǒng)(Beman and Francis, 2006; Wuchter et al., 2006; Francis et al., 2005;Ingalls et al., 2006, Schleper et al., 2005, Venter et al., 2004; Leininger et al. 2006; Weidler et al., 2007)。可是幾

25、乎沒人研究重金屬對AOA群落的影響。Ye et al. (in preparation)根據(jù)16S rRNA基因分析結(jié)合古菌GDGT數(shù)據(jù)比較不同重金屬污染的土壤樣品 中古菌結(jié)構(gòu)。結(jié)果顯示，古菌群落結(jié)構(gòu)變化與污染源有關(guān)。另外，所有樣品中都存在古菌 amoA 基因，這意味著泉古菌可以在受污染的土壤中進(jìn)行氨氧化。該信息有助于我們更好地 認(rèn)識重金屬污染環(huán)境中泉古菌的生態(tài)功能。1.3熱泉古菌非嗜熱泉古菌代表了古菌域泉古菌界飛速發(fā)展的一支，而熱泉泉古菌的研究則顯得相對 落后?；谌啪蛄兄g的系統(tǒng)發(fā)育關(guān)系，有人提出已經(jīng)適應(yīng)低溫環(huán)境的現(xiàn)代海洋泉古菌 的祖先生活于缺氧、高溫的環(huán)境。例如，從低溫環(huán)境提取的非培

26、養(yǎng)泉古菌16S rRNA具有較低 的G+C含量，在進(jìn)化樹上占有比嗜熱種更長的分支(Barns et al. 1996; Dawson et al. 2001)。長分 支被認(rèn)為是快速進(jìn)化的標(biāo)志，而較低的G+C含量對應(yīng)于低溫生長環(huán)境(Galtier et al. 1999)。由此 可以認(rèn)為泉古菌低溫世系有可能是從(極端)嗜熱種演化而來(Barns et al. 1996; Hershberger et al. 1996)。泉古菌進(jìn)化樹拓?fù)涮卣黠@示，在一些世系中低溫和高溫序列明顯相關(guān)。這暗示著發(fā) 生過多次(極端)嗜熱種向低溫環(huán)境適應(yīng)過程 (Hershberger et al. 1996; Dawso

27、n et al. 2001; Vetriani et al. 1999)。L6pez-Garcia et al. (2004)則認(rèn)為只發(fā)生過一次(極端)嗜熱泉古菌向嗜溫 環(huán)境的適應(yīng)。大多數(shù)泉古菌研究要么關(guān)注極端高溫(70C )地?zé)岘h(huán)境，要么關(guān)注低溫(30C)海洋/淡 水，或者土壤環(huán)境，而對適中高溫環(huán)境(40-70C)關(guān)注相對較少。Huang et al.(2007)報道了提 取至49-67C溫度范圍的美國加州和內(nèi)華達(dá)州熱泉樣品中的16S rRNA。在這些熱泉樣品中沒 有任何序列與土壤泉古菌緊密相關(guān)。這暗示著這些熱泉古菌群落是適中高溫環(huán)境中原生的 (Huang et al., 2007)。盡管最

28、近對土壤、淡水和海水中氮循環(huán)有了新的認(rèn)識，但對高溫環(huán)境中這一循環(huán)認(rèn)識明 顯滯后。尤其是，直到最近才認(rèn)識到后者也存在自養(yǎng)氨氧化過程 (Lebedeva et al., 2005; Hatzenpichler et al., 2008; de la Torre et al., 2008) 。這是令人吃驚的，因為大多數(shù)熱液水中， 氨是主要的無機(jī)氮源，可達(dá)46.7 mM (Reysenbach and Shock, 2002)，且氨/亞硝酸根和亞硝酸 根/硝酸根氧化還原反應(yīng)在許多熱泉中可提供生物所需能量 (Inskeep et al., 2005; Shock et al., 2005)。在一項研究中

29、，Group I.1b泉古菌單一發(fā)育型 “Candidatus Nitrososphaera gargensis” 在 46 C氨氧化富集中可以幾乎計量的將氨氧化為亞硝酸根(Hatzenpichler et al., 2008)。這種生 物在氨存在的情況下固定碳，只是在高氨濃度下該行為會被抑制。被認(rèn)為是編碼氨單加氧酶 兩個亞基amoA和amoB的基因和拷貝與發(fā)現(xiàn)于土壤和沉積物的古菌氨單加氧酶分在一組 (Francis et al., 2005; Schleper et al., 2005)。在另一項研究中，高度純化的“ Candidatus Nitrosocaldus yellowstonii

30、 在74可以將氨轉(zhuǎn)化為亞硝酸根而不固定碳，極大的提高了已知 的亞硝化作用的溫度上限(de la Torre et al., 2008)。Candidatus Nitrosocaldus yellowstonii”的 主要膜類脂是crenarchaeo l,肯定了熱泉環(huán)境中crenarchaeol的高溫來源(參見古菌類脂物部 分)(Pearson et al., 2004, 2008; Zhang et al., 2006)。在Zhang et al.(2008)中，先前建立的PCR引物被用來廣泛地調(diào)查美國(主要是大盆地和 黃石國家公園)，中國(騰沖)和俄羅斯(Kamchatka)等多種生物化學(xué)

31、條件熱泉中的古菌 amoA基因。結(jié)果顯示，古菌amoA基因在地?zé)嵯到y(tǒng)中普遍存在。至少部分基因被轉(zhuǎn)錄，熱泉 amoA基因序列與同區(qū)域的土壤序列有差異。盡管某些amoA基因類型出現(xiàn)在不同大陸熱泉 中，表現(xiàn)為世界性，但該研究熱泉中大多數(shù)amoA基因組合與地理條件密切相關(guān)而與溫度或 化學(xué)因素?zé)o關(guān)。2. 古菌類脂具有類異戊二烯結(jié)構(gòu)特征的醚鍵類脂物(二醚和四醚)被認(rèn)為是古菌域生物最具特征的 標(biāo)志物(De Rosa et al., 1986)。詳盡的產(chǎn)甲烷菌類脂物研究顯示出類脂物特征可以反映古菌系 統(tǒng)發(fā)育關(guān)系，可以應(yīng)用于分類學(xué)和生態(tài)研究(Koga et al., 1998)。廣古菌界生物中產(chǎn)甲烷菌和 嗜鹽生

32、物主要合成二醚，如 archaeol 和 sn-2-hydroxyarchaeol ， 而泉古菌界生物(如 Desulfurococcus 和 Sulfolobus)主要合成甘油二烷基甘油四醚(GDGT) (Koga et al., 1993)。 目前已知廣古菌中的Thermoplasmales科(參見Macalady et al., 2004及其引文)和ANME-1組 甲烷厭氧氧化古菌也可以合成四醚作為主要核心類脂(Blumenberg et al., 2004; Pi et al., in revision)。因氣相色譜(GC)和氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用(GC-MS)樣品制備需要采用冗長的化學(xué)裂

33、解 步驟，早期古菌類脂研究受到一定程度的限制。最近發(fā)展起來的液相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用法(LC-MS)可以快速地檢測古菌類脂，尤其是來自多種環(huán)境樣品的GDGT大分子(Hopmans et al., 2000; Schouten et al., 2000)。環(huán)境樣品中GDGT分布具有多樣性，最主要的是含0-4個五元 環(huán)的GDGT分子，有時也會出現(xiàn)4-6個五元環(huán)的GDGT分子(圖1) (Schouten et al., 2000, 2002; Damste et al., 2002a,b)。Crenarchaeol是獨特的GDGT化合物，具有4個五元環(huán)和一個六元環(huán)(圖 1 )。它被認(rèn)為是開闊海域和海底沉積

34、物中浮游泉古菌的標(biāo)志物(如：DeLong et al., 1998; Schouten et al., 2000, 2002; Pearson et al., 2001; Damste et al., 2002b; Zhang et al., 2003)。最近， 較高含量的crenarchaeol被首次發(fā)現(xiàn)于陸地?zé)崛獦悠分?Pearson et al., 2004)。隨后， crenarchaeol被發(fā)現(xiàn)于較寬溫度范圍的環(huán)境樣品(Zhang et al., 2006; Pearson et al., 2008)和嗜 熱氨氧化古菌富集培養(yǎng)物中(de la Torre et al., 2008)。

35、現(xiàn)有的crenarchaeol數(shù)據(jù)來自v10C至 87C的生物群落，顯示出分布的廣泛性。這些數(shù)據(jù)顯示，crenarchaeol的進(jìn)化歷史比現(xiàn)代海 洋中分布更久遠(yuǎn)，且更復(fù)雜。GDGT化合物也被用來建造古溫度指標(biāo)，如TEX86(具有86個碳的四醚指數(shù))，適用于海 洋和湖泊表層水體(Schouten et al., 2002; Powers et al., 2004; Wuchter et al., 2004)。此外，甲烷 水合物樣品和非水合物樣品GDGT組成有明顯差別，暗示著古菌群落變化可能受水合物影響 (Pi et al., in review)。具體地，水合物或富含甲烷樣品中明顯地富集1 -3

36、個五元環(huán)的GDGT-1， GDGT-2和GDGT-3。甲烷水合物樣品和正常海相樣品類脂物差異與16S rRNA基因變化相一 致(Pi et al., in review)。與甲烷水合物相關(guān)的樣品的基因文庫顯示以ANME-1為主，該分支甲 烷厭氧氧化菌可以合成四醚，因而很可能是它們貢獻(xiàn)了水合物樣品中含量較高的古菌類脂 物。上述研究說明，古菌表現(xiàn)型和系統(tǒng)發(fā)育型具有一致性，這是古菌群落對海洋環(huán)境中甲烷 水合物影響的響應(yīng)。因而，古菌類脂物研究具有生物地球化學(xué)，生態(tài)和古氣候意義。圖 1 代表性GDGT結(jié)構(gòu)式。I： GDGT-0, II: GDGT-1，III： GDGT-2, IV： GDGT-3, V

37、：GDGT-4,VG crenarchaeolo3. 古菌研究總結(jié)和展望目前已知，古菌無處不在，且在幾乎每一個可以想象的地球小生境中顯著地參與了全球 碳循環(huán)和能量代謝。這些新進(jìn)展很大程度上受益于免培養(yǎng)分子技術(shù)。古菌具有獨特且穩(wěn)定的 類脂物標(biāo)志物，可以用作古生態(tài)和古氣候研究中的分子化石。盡管取得了激動人心的發(fā)現(xiàn)， 也意思到了古菌的重要性，我們卻對古菌的譜系發(fā)育史，生理，生物化學(xué)和生態(tài)功能缺乏基 本的了解。從地球化學(xué)角度看，我們幾乎沒有去研究古菌類脂物在地質(zhì)歷史上是如何保存的。 這些是富有成效的研究領(lǐng)域，需要做出更多的努力來更好地認(rèn)識自然環(huán)境中古菌的碳固定和 能量代謝。特別地，嗜熱古菌研究可以幫助

38、我們了解古菌功能，如產(chǎn)crenarchaeol和古菌氨 氧化，協(xié)同演化問題。致謝本章能夠成文，離不開Chuanlun Zhang的學(xué)生(Qi Ye, Yundan Pi, Zhiyong Huang)和 同事(Brian Hedlund, Ann Pearson )等的參與及合作。Chuanlun Zhang實驗室研究得到了 美國自然基金委員會，美國能源部，美國國家海洋和大氣管理局，及美國內(nèi)務(wù)部礦業(yè)管理服 務(wù)局等資助。參考文獻(xiàn)Aloisi, G., Bouloubassi, I., Heijs, S. K., Pancost, R. D., Pierre, C., Damste, J. S.

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