客观日本

日美联合在1亿年前海底沉积物中发现活微生物

2020年08月06日 生物医药

日本国立研究开发法人海洋研究开发机构超先锐研究开发部门高知核心研究所地球微生物学研究团队的诸野祐树主任研究员等人,与美国罗德岛大学、日本国立研究开发法人产业技术综合研究所、国立大学法人高知大学和Marine Works Japan公司合作,从南太平洋环流区海底采集的太古时期地层样本(430万年前~1亿150万年前)中发现了微生物,并成功使其苏醒,确认地层中的微生物并未变成化石,而是存活了下来。

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从1亿150万年前海底地层中苏醒复活的微生物

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从1亿150万年前海底地层中采集的样本

海洋占地球表面积的70%,海底存在着由海洋雪(浮游生物的排泄物和尸体等)和灰尘等沉积形成的地层。在由细小颗粒构成的海底地层,即便是像微生物那样的微小生物也无法在沉积物中游动,因此地层形成时的微生物一直被封闭在里面。

此次的研究将饵料浸入从南太平洋环流区(South Pacific Gyre,图1)采集的沉积物(水深3,740m~5,695m)中。微生物如果活着的话,应该就会摄食饵料。经过21天~1年半的培养(图2、3、4)发现,即使是1亿150万年前沉积的地层样本,最高也有99.1%的微生物摄食饵料并开始繁殖,由此确认,自从在白垩纪的太古时期沉积以来,1亿多年里大部分微生物在地层中存活了下来。另外发现,在含有少量氧气的环境中培养时,微生物成功苏醒过来,但在不含氧气的培养条件下未发现微生物明显繁殖。也就是说,在氧气渗透到地层深处的远洋沉积物环境中,只有需要氧气才能生长的需氧性微生物维持生物活性实现了地质学时间的长期存活。

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图1:获得研究样本的海底沉积物的钻探地点。
深蓝色:氧气高概率从海底表层到达玄武岩的范围
淡蓝色:推测氧气从海底表层到达玄武岩的范围
黑点为SPG区域外的钻探地点

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图2:沉积物培养。在可以密封的玻璃容器中放入核心样本,从上面浸入饵料溶液进行培养(左)。右侧是在船内的冷藏仓库准备培养样本的情形。

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图3:分析用样本的制备方案。由于海底的地层样本中的微生物细胞数量比较少,而周围的泥浆颗粒非常多,因此要想进行分析,需要提取微生物细胞。首先,将含有微生物细胞的泥水加入混合多种密度比水高的溶液的重液中。这样密度较大的泥浆颗粒会下沉,而小型微生物则会浮上来,对其进行回收。然后,利用名为细胞分选仪的装置从中仅提取细胞,可以在0.2毫米左右的区域收集大量细胞。通过用NanoSIMS进行分析,即可调查微生物是否摄食了饵料。

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图4:培养后的微生物观察图像。a、b、c、d添加碳酸氢盐和氨,e、f、g、h添加氨基酸混合物作为饵料。a和e是对DNA进行染色的荧光显微镜图像,b和f是针对碳,c和g是针对氮的NanoSIMS图像,亮色表示摄食饵料的微生物。d和h分别表示其二次电子图像。碳酸氢盐基本没有被摄食,氨被少量摄食。氨基酸同时含有碳和氮,被大量摄食。
b、c、f、g的彩色竖条表示摄食情况,数字表示摄食比例(如果摄食量与细胞本身具有的碳相同即为1),颜色越靠近黄色表示摄食量越多。
白色竖条表示千分之五毫米

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图5:表示微生物繁殖的图像。所有样本添加饵料后微生物的数量都增加。细胞浓度表示每立方厘米样本的细胞数量。灰色框中是样本采集地点(用U后面的4位数字表示)、距海底的距离(深度)和地层形成的年代。

论文信息
题目:Aerobic microbial life persists in oxic marine sediment as long as 101.5 million years
期刊:Nature Communications
DOI:nature.com/articles/s41467-020-17330-1

日语发布原文

文:JST客观日本编辑部

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