直接暴露在极端平流层环境中的蓝细菌地衣的活性反应

《Life Sciences in Space Research》：Active responses of cyanobacterial crusts directly exposed to the extreme stratospheric environment

本研究通过气球搭载携带蓝藻生物膜的实验，在平流层模拟火星环境，分析多组学数据，发现Scytonema属因合成抗紫外线物质scytonemin而具有显著适应性优势，其代谢途径与异养菌协同作用维持群落稳定，为外星殖民提供新思路。

　　

张显|李琦|杨海健|李华|胡春香

中国科学院水生生物研究所藻类生物学重点实验室，中国武汉430072

摘要

平流层极端恶劣的环境为评估极端微生物对外星殖民的适应性提供了独特且相对容易获取的实验场所。火星探索项目的加速推进凸显了更好地理解类似火星栖息地中微生物群落协同反应的必要性。在此研究中，我们将具有多个营养级的蓝细菌地衣（一种模型系统）装载到气球搭载的天体生物学平台上，直接暴露于平流层中，并与地面对照组和室内模拟组进行对比实验。经过短期原位暴露后，我们进行了多组学分析，以揭示群落组成的变化及群落层面的代谢响应。我们观察到活跃成员的组成发生了显著变化：光自养菌（Scytonema除外）的相对丰度下降，而化能菌的丰度增加。然而，我们发现Scytonema属蓝细菌表现出独特的繁衍能力，这归因于其能够合成抗紫外线化合物scytonemin、多样的物质以及有效的能量获取方式。同时，不同物种之间独特的代谢特征及其相互作用有助于有机碳和氮的保留，从而维持了生物地衣群落的稳定性。我们的研究强调了蓝细菌地衣在平流层压力下的适应韧性。特别是Scytonema的强大生存能力，凸显了其在外星应用中的潜力。

引言

平流层位于海平面以上20~50公里处，其特征是强烈的紫外线辐射（约100 W/m²）、高能离子、低温（约-36°C）、低气压（约1 kPa）和极度干燥（相对湿度<1%），常被视为类似火星的环境（Smith和Sowa, 2017; Bryan等人, 2019）。这些独特条件使其成为研究外星环境的理想场所（Smith和Sowa, 2017; Bryan等人, 2019）。尽管最近从平流层环境中收集并分离出了多种细菌和古菌菌株（尤其是形成孢子的菌株，Yang等人, 2010; Cortesao等人, 2021; DasSarma等人, 2020; Gorecki等人, 2023），但了解地球极端微生物在平流层原位暴露下的反应和适应性对于天体生物学研究仍然至关重要。

平流层对微生物施加了多种环境压力，其中紫外线（UV）辐射对其生存的威胁最大，相比之下干旱、低温和低气压条件的影响较小（Smith和Sowa, 2017; Smith等人, 2011; Pulschen等人, 2018）。大多数菌株（如Bacillus和Halobacterium属）的存活率降低，但某些菌株通过未知机制存活下来（Bryan等人, 2019）。非孢子形成细菌和古菌则采用不同的策略，如提高基因组GC含量、形成聚集体以及表达修复蛋白来抵御逆境（Gorecki等人, 2023）。然而，目前国际空间站上的研究主要集中在与人类健康相关的微生物学领域，如肠道微生物群动态和病原菌抗性（Hao等人, 2023; Turroni等人, 2017; Yang等人, 2022; Singh等人, 2018）。阐明自然多营养级群落对平流层复杂压力的协同响应是迈向外星殖民应用的重要一步。

大多数平流层暴露实验都集中在异养菌上，因此在高亮度环境中研究光自养菌的研究还存在空白（Ott等人, 2020; Khodadad等人, 2017）。然而，如Chroococcidiopsis和Nostoc属蓝细菌为这类研究提供了极好的对象（Billi, 2018; Ye等人, 2021）。一些研究表明，这些蓝细菌只有在与模拟火星土壤混合时才保持活性，这表明物理屏蔽对其生存至关重要（Billi, 2019）。作为群落生态学的模型系统（Bowker等人, 2014），由丝状蓝细菌及其胞外多糖与矿物颗粒形成的自然生物地衣，为研究微生物群对平流层压力的多营养级响应提供了理想材料（Li等人, 2022b）。作为地球早期地质时期的主要殖民者，生物地衣在改善土壤和大气条件方面发挥了关键作用（Weber等人, 2022）。鉴于火星与早期地球的相似性，蓝细菌地衣被认为是殖民和改造外星环境的有希望的候选者（Billi等人, 2019; Cockell等人, 2011; Liu等人, 2008）。目前的研究主要集中在生理变化上，如光合作用速率、色素含量、抗氧化酶和胞外多糖（Cockell等人, 2011; Li等人, 2022b; Li等人, 2022a）。相比之下，包括宏转录组学和宏基因组组装（MAGs）在内的元组学方法为特定分类群的功能潜力提供了全面见解，并越来越多地应用于天体生物学研究（Liu等人, 2022; Booker等人, 2023; Singh等人, 2023）。我们的研究深入探讨了微生物代谢的变化，以深入了解生物地衣群落如何协同应对平流层暴露。

为填补极端条件下微生物响应研究的空白，我们将蓝细菌地衣固定在氦气充气的高空气球上，并将其暴露于平流层32公里处约200分钟。同时，发射地点暴露的生物地衣作为对照组，设计了一个模拟实验来研究UV-B辐射与温度对群落动态的相对影响。随后我们采用了一系列多组学方法对不同组进行了同步分析。通过（ⅰ）群落结构的响应，（ⅱ）整个群落的活跃代谢途径，（ⅲ）活跃基因和主要微生物分类群之间的共现网络，以及（ⅳ）高抗性分类群的代谢潜力，来研究代谢机制。

我们假设强烈的辐射和水分缺乏会抑制光合作用，但可能促进化学能的利用（Meier等人, 2021; Han等人, 2022）、耐压性（Li等人, 2022a; Deng等人, 2023）、抗氧化C1代谢（Kovalenko, 2020）和光呼吸作用。不耐旱的显性属如Microcoleus可能会因利用胞外有机物而活性下降或呈现混合营养状态（Fernandes等人, 2018; Stuart等人, 2016）。然而，高度耐紫外线的属如Scytonema、Nostoc和Chroococcidiopsis可能具有竞争优势（Zhu等人, 2020; Mosca等人, 2019; Irankhahi等人, 2024）。此外，相互作用，尤其是群体感应和营养交换，可能有助于提高群落的抵抗力（Ona等人, 2021; Hesse等人, 2021）。最终，我们认为蓝细菌有助于异养菌在辐射压力下的生长（Beck等人, 2017），从而增强异养菌（如放线菌）的活性。据我们所知，这是首次全面探索生物群落在类似火星环境中的代谢响应的研究，为极端微生物在外星行星上的殖民潜力提供了宝贵见解。

章节摘录

生物地衣的采集与装载

2019年6月，我们从腾格里沙漠东南边缘（37°32′N; 105°02′E）采集了以Microcoleus为主的蓝细菌地衣（图1B）。为确保样本均匀性，我们选择了一块远离灌木的指定区域（约2米×3米）。使用无菌铲子小心地从压入表土的15厘米无菌培养皿中剥离出完整的生物地衣样本（厚度约2毫米）。每个培养皿中的生物地衣样本被分成五份：

活跃成员组成的变化

为了了解生物地衣微生物群对多极端条件的适应情况，我们首先研究了平流层暴露后群落组成的变化，特别是活跃成员的变化。基于宏基因组学、宏转录组学和宏蛋白质组学的分子标记，我们的多组学结果显示蓝细菌地衣中存在丰富的微生物分类群，包括蓝细菌、放线菌、α-变形菌和拟杆菌科。

结论

根据实验结果，当蓝细菌地衣暴露在约30公里高度的平流层条件下时，对干旱敏感的显性分类群（尤其是形成栖息地的Microcoleus属）的活性显著下降。相比之下，耐紫外线的Scytonema属在营养/能量获取和耐压性方面表现出明显的竞争优势。在群落层面，对光能转换的依赖性减弱了。

数据可用性

本研究中原位暴露组和地面对照组的16S rRNA基因序列、宏基因组、宏基因组组装基因组和宏转录组数据可在NCBI数据库中找到，项目ID分别为PRJNA1051297、PRJNA1051671和PRJNA1051300。模拟组的宏转录组数据可在NCBI数据库中找到，项目ID为PRJNA1052761。质谱蛋白质组学数据已存入iProX数据库，数据集ID为IPX0007726000。

作者贡献

C.-X.H. 设计并策划了这项研究；Q.L.和H.-J.Y.进行了野外研究和测量；X.Z.分析了原始数据并撰写了初稿；C.-X.H.和H.L.在所有合作者的参与下修订了手稿。

CRediT作者贡献声明

张显：写作——审稿与编辑，撰写——初稿，软件使用，方法学设计，数据管理。李琦：实验研究。杨海健：项目管理，方法学设计。李华：数据可视化，实验监督。胡春香：写作——审稿与编辑，实验监督。

利益冲突声明

作者声明没有利益冲突。

致谢

感谢中国科学院地质与地球物理研究所的魏林在野外实验中提供的帮助。该项目得到了国家自然科学基金（32370125和41877419）、中国科学院战略性先导科技专项（XDA17010502）、湖北省杰出青年科学基金（2022CFA105）的支持，以及中国科学院藻类生物学重点实验室的资助。