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刘立等-EMR:柴达木盆地类火星极端环境的微生物多样性及其适应机制
2022-09-07 | 作者: | 【 】【打印】【关闭

  “天问一号”首次火星探测任务的成功实施标志着我国行星探测进入新的征程。火星是太阳系中除地球之外最有可能存在过生命的天体之一,寻找生命信号一直是火星探测任务的重要科学目标。在火星生命信号研究中,除了开展火星就位探测之外,地球上天然存在的许多与火星过去或现在环境具有类似特征的区域(称为类火星环境)为研究火星生命提供了新的思路。开展地球类火星极端环境的生命研究,对于评估火星的宜居潜力、搜寻火星可能保存的生命信号等都具有重要的指导意义。 

  柴达木盆地位于我国青藏高原北部,它是世界上最干旱、海拔最高的荒漠之一。由于青藏高原的隆升,柴达木盆地的气候自更新世以来发生了剧烈变化,由原先的巨大湖泊逐渐演变为现今极端干旱、紫外辐射高、昼夜温差大的荒漠。现今柴达木盆地的干旱度由东南向西北逐渐增强,其环境可以类比火星诺亚纪晚期至西方纪早期时的环境。此外,柴达木盆地发育了众多与火星地貌特征类似的类火星地貌,如冲沟、冲积扇、泥石流、雅丹、多边形地貌等。研究柴达木盆地的微生物多样性及其适应机制,有助于更好地认识地球生命耐受极端环境的生存策略、火星的过去和现在是否可能存在生命等天体生物学前沿科学问题。 

  我所地球与行星物理院重点实验室地球与行星磁场及宜居性学科组的博士研究生刘立与导师林巍研究员等,联合香港大学李一良教授团队,对柴达木盆地典型类火星区域中的表层土壤微生物进行了系统研究(图1),改进了土壤微生物DNA提取的传统方法,实现了从柴达木盆地低生物量样品中获得足量DNA以开展组学研究。在此基础上,综合利用分子生态学和宏基因组学等方法,对该区域表层土壤中微生物的群落多样性及其主要生理代谢特征进行了研究,发现柴达木盆地土壤微生物群落主要以放线菌门(Actinobacteria)和变形菌门细菌(Proteobacteria)为优势类群, 同时也发现了广古菌门(Euryarchaeota)和泉古菌门(Crenarchaeota)等古菌类群(图2)。盆地西北部地区样品与东南部地区样品中的微生物丰度和群落多样性都存在差异,揭示出土壤含水量和有机碳等是影响微生物丰度和多样性的重要环境因素。 


图1 柴达木盆地的采样地点

图2 基于16S rRNA基因(左)和宏基因组(右)研究发现的柴达木盆地代表性区域表层土壤微生物的主要微生物门类及其相对丰度

  进一步研究发现,柴达木盆地表层土壤微生物可能通过吸收环境中的微量气体(如COH2CO2等)以获取生存所需的能量(图3)。这些微生物的基因组中还发现了可能参与修复DNA损伤和应对环境温度波动的基因,表明DNA修复和蛋白质保护可能是微生物应对柴达木盆地高紫外辐射和温度剧变等极端环境条件的重要机制(图3)。 


图3 柴达木盆地类火星极端环境表层土壤微生物群落的适应机制模型

  研究揭示了柴达木盆地类火星极端环境中微生物的群落多样性及其主要适应机制,为深入认识火星早期存在生命的可能性以及火星生命信号探测提供了参考。

  成果近期发表于国际学术期刊Environmental Microbiology Reports(刘立,刘海韵,张文斯,陈妍,申建勋,李一良,潘永信,林巍*. Microbial diversity and adaptive strategies in the Mars-like Qaidam Basin, North Tibetan Plateau, China[J]. Environmental Microbiology Reports, 2022. DOI: 10.1111/1758-2229.13111)。研究受中国科学院、国家自然科学基金委、中国科学院地质与地球物理研究所等共同资助。 

 
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