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深海，这个神秘而广袤的区域，一直以来都是科学家们探索的前沿。2024年7月31日，维也纳大学Gerhard J. Herndl教授研究团队在权威期刊Nature communications期刊上发表题为《Metaproteomic analysis decodes trophic interactions of microorganisms in the dark ocean》的研究论文，第一&通讯作者Dr. Zihao Zhao利用宏蛋白质组学在解码复杂海洋生态系统中的强大潜力，揭示了深海微型生物之间复杂的营养关系，也为我们理解深海中微型生物之间的营养关系及其对海洋碳循环的影响提供了宝贵的数据支持。
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研究背景
Background
开阔海洋中的蛋白质构成反映了有机物的来源，其表达量则代表着海洋微型生物的新陈代谢活动。由于大多数下沉的藻类物质在上层1000 米内被消耗，浮游动物贡献的 POM通量被认为在深海中变得突出。此外，浮游动物排泄的大量尿素可以作为额外的氨源，支持无光区硝化自养微型生物介导的溶解无机碳(DIC) 固定。因此，浮游动物活动及其尿素释放增加了中层海洋和深层海洋中有机物的可用性，并维持了深海微型生物的代谢活性。γ-变形菌是细胞外酶的主要生产者，在深海中，它们通过水解 POM获取有机底物用于生长代谢，但γ-变形菌相对较低的丰度似乎与它们的活性形成鲜明对比，这让我们猜想可能由于病毒裂解该细菌群落而导致的大量细胞损失。所有这些发现都表明，浮游动物、细菌、古菌和病毒在碳循环过程中可能存在复杂的内在联系。然而，支持这些联系的证据仍然很少。具体来说，浮游动物和藻类对整个海洋水柱中 POM通量的相对贡献仍不清楚。尿素是否促进全球海洋中的 DIC固定也尚未得到充分证实，伽马变形菌在 POM再矿化中的作用及其与病毒的相互作用也是如此。
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研究方法
Methods
文章分析从太平洋、大西洋和南大洋采集的宏蛋白质组样本，揭示了全球海洋水体中海洋微型生物群蛋白质库的结构和功能的分粒径模式。作者采用宏蛋白质组学方法表征了海洋微型生物群落的结构和功能，以评估单个分类群中蛋白质的相对丰度。对微型生物酶表达谱进行相对定量，以确定有机物供应和微型生物活动之间的联系。尽管与宏基因组学和宏转录组学分析相比，宏蛋白质组学的分辨率相对较低，但质谱分析的非扩增性质支持在超界之间进行蛋白质水平的比较，可以对每个分类群对总蛋白质库的贡献产生半定量结果。
03
结果和讨论
Research results and discussion
深海蛋白质的主要贡献者
研究通过对从太平洋、大西洋和南大洋采集的样品进行宏蛋白质组学分析，揭示了海洋浮游生物群落蛋白质结构和功能的大小分粒径模式。结果显示，浮游动物蛋白质对深海群落宏蛋白质组的贡献是藻类蛋白质的三倍。这意味着在深海中，浮游动物的作用比之前认识的更为重要。
伽马变形菌的重要性
伽马变形菌在深海中展示了高度的代谢活性，贡献了高达30%的细菌蛋白质。这些细菌通过分泌胞外酶来利用颗粒有机物（POM），即使在高压环境下也能维持其代谢活动。其较高的活性可能导致病毒的专一性裂解致使其细胞数量较低，进而突出其在溶解有机物（DOM）库中的关键贡献。
浮游动物尿素对深海碳固定的贡献
研究还发现，浮游动物排放的尿素是支持中层海洋（mesopelagic zone）硝化过程的重要氨来源。这一过程通过硝化介导的暗碳固定，增加了深海微型生物群落中可用的有机碳。此外，研究团队通过检测硝化酶和脲酶的丰度，进一步支持了该连接。
Protein sequences identified in the metaproteome.Relative abundance profiles and variable importance of the top 14 proteins/enzymes identified using random forest classification.
Changes in taxonomic composition of the eukaryotic, bacterial, and viral community in the metaproteome dataset.
Nitrification process revealed in the metaproteome
参考文献
Zhao, Z., Amano, C., Reinthaler, T. et al. Metaproteomic analysis decodes trophic interactions of microorganisms in the dark ocean. Nat Commun 15, 6411 (2024). https://doi.org/10.1038/s41467-024-50867-z
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