Top期刊發文！自然資源部海洋三所董西洋研究員團隊及其合作者揭示深海冷泉微生物群體感應機制！

近日，自然資源部海洋三所生物重點實驗室董西洋研究員團隊聯合大連海事大學馬橋教授等科研團隊，在國際著名微生物學期刊《Microbiome》（中科院一區Top期刊）發表了題為“Diverse quorum sensing systems regulate microbial communication and biogeochemical processes in deep-sea cold seeps”的研究論文。研究團隊系統揭示了群體感應（quorum sensing, QS）在深海冷泉生態系統中調控微生物通訊與地球化學過程的重要作用，闡明了多種群體感應系統協同驅動冷泉微生物生態適應與物質循環的新機制。

群體感應是微生物通過信號分子實現群體行為調控和生態適應的重要機制，對環境感知、共生與代謝協作等方面具有重要意義。深海冷泉是地球上極為特殊的海底生境，具有高壓、低溫和富碳氫化合物等特征，孕育了高度多樣且代謝復雜的微生物群落。然而，冷泉微生物之間的通訊機制及其在生態系統功能中的作用長期未明。

研究團隊整合了來自全球17個深海冷泉站點的170個宏基因組和33個宏轉錄組數據，構建了強覆蓋性的非冗余冷泉基因集，系統分析了群體感應基因的分布、互作機制和生態角色。結果表明，冷泉微生物群體感應系統極為豐富，涵蓋AI-2、AHLs、DSF、c-di-GMP、PQS和AHKs六大類型，共識別出近30萬條群體感應相關基因。這些基因在不同沉積深度和冷泉類型中呈現明顯分層特征，顯示群體感應調控與冷泉的地球化學梯度密切相關（圖1）。

圖1 冷泉沉積物中群體感應基因的分布

分析顯示，94%的冷泉微生物基因組含有群體感應相關基因，涵蓋了108個細菌門類和12個古菌門類（圖2），表明群體感應在深海冷泉微生物界廣泛存在。不同微生物類群展現出獨特的群體感應信號系統偏好：細菌主要依賴AI-2、DSF和c-di-GMP系統，而古菌則偏向使用AI-2與AHLs系統。這種差異反映出冷泉微生物在長期演化中形成的多樣化通訊策略。

圖2 冷泉微生物中群體感應基因的分布

研究進一步發現，群體感應與冷泉生態系統中的關鍵生物地球化學過程密切相關。部分群體感應基因與甲烷厭氧氧化、硫酸鹽還原、生物固氮和有機鹵素脫鹵等核心代謝基因呈顯著正相關（圖3），表明群體感應在碳、硫、氮及鹵素循環中發揮協同調控作用。研究還揭示，不同功能類群在通訊方式上存在差異：厭氧產甲烷古菌主要依賴AI-2信號系統，固氮菌富含c-di-GMP相關基因，而硫酸鹽還原菌則同時擁有多種信號調控途徑，表明其在冷泉能量代謝網絡中的重要地位。

圖3 冷泉中群體感應基因、重要代謝基因與功能重要微生物群的關系

為驗證群體感應的功能活性，研究團隊對5個冷泉來源的LuxI基因進行異源表達，其中4個luxI具有誘導生成AHLs類信號分子的能力（圖4）。分子對接結果表明，受體LuxR可與多種AHL分子結合，證實了LuxI-LuxR信號系統在冷泉微生物中的功能性存在。結合代謝組學分析，研究在冷泉沉積物中檢測到具有潛在群體感應抑制劑作用的多種脂肪酸分子，如棕櫚酸、油酸和十六烯酸，提示冷泉環境中群體感應與信號淬滅（quorum quenching）過程可能并存，構成動態的信號調控網絡。

圖4 LuxI表達和生物測，GC-MS檢測冷泉沉積物中與群體感應相關的化合物

該研究揭示了深海冷泉微生物利用多層次群體感應系統實現信息傳遞、生態協作與代謝調控的整體圖景，深化了對深海微生物生態適應機制和地球化學過程的認識。研究展示了人工智能、大數據挖掘與微生物生態學相結合的前沿成果，為探索深海生物圈的“智能化生態網絡”提供了新范式，也為環境微生物通訊機制及其在全球物質循環中的作用研究開辟了新的方向。

研究團隊及資助

我所碩士研究生彭佳雪與劉心悅為論文共同第一作者，大連海事大學馬橋教授與我所董西洋研究員為共同通訊作者。其他參與者包括王潔妮、韓迎春、廖靜、彭用一、孟楠、Rubin-Blum Maxim、李成成、蔡潤林。該研究得到國家自然科學基金項目、海洋三所基本科研業務費及福建省自然科學基金項目等資助。

• 信息來源：自然資源部海洋三所。

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