在地下深处，我们脚下的地球充满了微生物的生命，其中大部分尚未被描绘出来。从阳光中切断，这些神秘的生物必须通过其他方式获得所有活细胞所需的维持生命的能量和碳。

地下微生物学中一个迫切的问题是这些生物及其碳，氮和硫循环能力如何沿地下垂直横断面分布。在海洋或淡水水生系统中，沿深度梯度采样微生物群落相当简单。但对于陆地地下，很难获得没有钻井液或设备污染的样品。

与加州大学伯克利分校的长期合作者Jill Banfield和加拿大卡尔加里大学的Cathy Ryan领导的团队合作，美国能源部(DOE)联合基因组研究所(JGI)的研究人员，美国能源部DOE办公室科学用户设施调查了Crystal Geyser在犹他州间歇泉的一个复杂的五天喷发周期中收集的样本。整合了基因组解析的宏基因组学，单细胞基因组学和地球化学分析，表明在每个阶段采集的样本包含在组成和代谢功能方面独特的微生物群落。结果于2018年1月29日在Nature Microbiology上报道。

班菲尔德指出，她认为，关键的成就是不依赖培养的基因组方法直接将高度新颖的生物群与地下来源联系起来。由于基因组学方法与地球化学和水文信息的空前结合，这是可能的。她还指出，重要的是将微生物生态学，基因组分辨的宏基因组学和单细胞基因组学的主要方法应用于相同的样品，以便可以比较这些关键方法。

Crystal Geyser位于犹他州的Paradox盆地，是一个二氧化碳驱动的冷水间歇泉，由一系列由页岩和泥岩层分隔的底层含水层供给。其为期五天的喷发周期分为三个阶段 - 轻微喷发，重大喷发和恢复。在每个喷发阶段，采样的微生物群落来自不同深度间隔的地下水。

“对于微生物学和地球化学来说，它是一个非常酷的系统，因为通过它的循环，间歇泉从这些不同的含水层中获取，通过这些喷发，你可以进入分层系统和出现的微生物，”JGI微生物基因组计划负责人Tanja Woyke说。 。

研究深地地下

班菲尔德小组之前的工作暗示了该系统中以前未知的细菌和古细菌的巨大系统发育多样性，包括候选植物辐射(CPR)的深度分枝生物和以发现的前五个群体命名的极端微生物古菌的DPANN superphylum：Diapherotrites， Parvarchaeota，Aenigmarchaeota，Nanoarchaeota，Nanohaloarchaea。

“Crystal Geyser提供了一个独特的环境来调查地下，并结合我们的水文地球化学和微生物数据集，从而对那里发生的事情产生了一些有趣的见解，”该研究的共同第一作者和Ryan的前研究生Bethany Ladd说。

“地球深部地下的生态系统代表着探索地球上生命多样性的最后边界。人们对这些生态系统的结构以及这些环境中的生物如何在没有阳光的情况下生活的知识知之甚少。”作者Alexander Probst，Banfield实验室的前博士后研究员，现在德国杜伊斯堡 - 埃森大学。

在目前的研究中，基因组被重建为来自104个不同门级谱系的505种不同的细菌和古细菌生物，包括9种可能新颖的门。大约57%的生物在喷泉喷发周期的特定阶段显着富集，因此可以采集到特定的地下水深度区间。

浅层地下水社区主要由一种硫磺属物种组成，还有一些其他细菌和一些古细菌。中间深度中与间歇泉相关的大部分微生物属于CPR，但最丰富的是Gallionellaceae的成员。最深的地下水最集中的是DPANN古细菌和Candidatus“Altiarchaeum”，这是一个非凡的古生物，其细胞表面上有微型抓钩。

这些庞大的网络如何协同工作

许多这些地下居住的微生物被认为是共生的，其想法是环境中可用资源的缺乏意味着它们必须更多地相互依赖才能生存。能够通过化学反应(如氢或铁氧化)产生能量然后利用这种能量来积聚碳的生物被认为是维持其社区其他细菌和古菌的“主要生产者”。

“在世界上一个非常特殊的地方长时间和漫长的夜晚与伯克利团队合作是一种荣幸和荣幸，”卡尔加里大学的Ryan说，他的研究生Bethany Ladd是这项研究的共同第一作者。 。

Banfield的小组之前也报道过Crystal Geyser系统中的生物体采用了三种不同的碳固定机制。在目前的研究中，他们将能量需求最高的机制与浅层地下水群联系起来，而能量需求最低的机制则与深层地下水群有关。

此外，Probst指出，该分析确定了数百种假定的共生生物的基因组，包括这些地下流体中最丰富的生物之一的潜在共生体，一种在地下结合二氧化碳并将其转化为有机物质的古细菌。

“现在我们拥有了这些大型数据集，我们可以开始尝试解开这些巨大网络如何协同工作，”沃伊克说。