我所生物重点研究团队在《Microbiome》发表深海冷泉微生物群体感应研究成果

近日，我所生物重点实验室董西洋研究员团队联合大连海事大学马桥教授等科研团队，在国际著名微生物学期刊《Microbiome》（中科院一区Top期刊）发表了题为“Diverse quorum sensing systems regulate microbial communication and biogeochemical processes in deep-sea cold seeps”的研究论文。研究团队系统揭示了群体感应（quorum sensing, QS）在深海冷泉生态系统中调控微生物通讯与地球化学过程的重要作用，阐明了多种群体感应系统协同驱动冷泉微生物生态适应与物质循环的新机制。

群体感应是微生物通过信号分子实现群体行为调控和生态适应的重要机制，对环境感知、共生与代谢协作等方面具有重要意义。深海冷泉是地球上极为特殊的海底生境，具有高压、低温和富碳氢化合物等特征，孕育了高度多样且代谢复杂的微生物群落。然而，冷泉微生物之间的通讯机制及其在生态系统功能中的作用长期未明。

研究团队整合了来自全球17个深海冷泉站点的170个宏基因组和33个宏转录组数据，构建了强覆盖性的非冗余冷泉基因集，系统分析了群体感应基因的分布、互作机制和生态角色。结果表明，冷泉微生物群体感应系统极为丰富，涵盖AI-2、AHLs、DSF、c-di-GMP、PQS和AHKs六大类型，共识别出近30万条群体感应相关基因。这些基因在不同沉积深度和冷泉类型中呈现明显分层特征，显示群体感应调控与冷泉的地球化学梯度密切相关（图1）。

图1 冷泉沉积物中群体感应基因的分布

分析显示，94%的冷泉微生物基因组含有群体感应相关基因，涵盖了108个细菌门类和12个古菌门类（图2），表明群体感应在深海冷泉微生物界广泛存在。不同微生物类群展现出独特的群体感应信号系统偏好：细菌主要依赖AI-2、DSF和c-di-GMP系统，而古菌则偏向使用AI-2与AHLs系统。这种差异反映出冷泉微生物在长期演化中形成的多样化通讯策略。

图2 冷泉微生物中群体感应基因的分布

研究进一步发现，群体感应与冷泉生态系统中的关键生物地球化学过程密切相关。部分群体感应基因与甲烷厌氧氧化、硫酸盐还原、生物固氮和有机卤素脱卤等核心代谢基因呈显著正相关（图3），表明群体感应在碳、硫、氮及卤素循环中发挥协同调控作用。研究还揭示，不同功能类群在通讯方式上存在差异：厌氧产甲烷古菌主要依赖AI-2信号系统，固氮菌富含c-di-GMP相关基因，而硫酸盐还原菌则同时拥有多种信号调控途径，表明其在冷泉能量代谢网络中的重要地位。

图3 冷泉中群体感应基因、重要代谢基因与功能重要微生物群的关系

为验证群体感应的功能活性，研究团队对5个冷泉来源的LuxI基因进行异源表达，其中4个luxI具有诱导生成AHLs类信号分子的能力（图4）。分子对接结果表明，受体LuxR可与多种AHL分子结合，证实了LuxI-LuxR信号系统在冷泉微生物中的功能性存在。结合代谢组学分析，研究在冷泉沉积物中检测到具有潜在群体感应抑制剂作用的多种脂肪酸分子，如棕榈酸、油酸和十六烯酸，提示冷泉环境中群体感应与信号淬灭（quorum quenching）过程可能并存，构成动态的信号调控网络。

图4 LuxI表达和生物测，GC-MS检测冷泉沉积物中与群体感应相关的化合物

该研究揭示了深海冷泉微生物利用多层次群体感应系统实现信息传递、生态协作与代谢调控的整体图景，深化了对深海微生物生态适应机制和地球化学过程的认识。研究展示了人工智能、大数据挖掘与微生物生态学相结合的前沿成果，为探索深海生物圈的“智能化生态网络”提供了新范式，也为环境微生物通讯机制及其在全球物质循环中的作用研究开辟了新的方向。

我所硕士研究生彭佳雪与刘心悦为论文共同第一作者，大连海事大学马桥教授与我所董西洋研究员为共同通讯作者。其他参与者包括王洁妮、韩迎春、廖静、彭用一、孟楠、Rubin-Blum Maxim、李成成、蔡润林。该研究得到国家自然科学基金项目、海洋三所基本科研业务费及福建省自然科学基金项目等资助。

论文链接：https://link.springer.com/article/10.1186/s40168-025-02280-x

原文链接：https://www.tio.org.cn/OWUP/html/kycg/20251208/4640.html