近日，国际微生物生态学期刊《ISME Communications》发表了我室博士后宿蕾与合作者的最新研究成果，论文题为“From CRISPR-Cas to Argonautes: Defense systems of bacteria and archaea in the hydrothermal deep subsurface”。该研究系统解析了热液深部地下生物圈中细菌和古菌防御系统的组成、多样性及生态意义，揭示了极端环境微生物应对病毒侵染和长期环境压力的多种防御机制，为理解深部生物圈中微生物的适应策略和演化过程提供了新的认识。
深海沉积物蕴藏着丰富的微生物，是全球生物地球化学循环的重要组成部分。然而，海底地下微生物长期生活于高温、高压、低能量供应的极端环境中，如何维持细胞稳定、抵御外源遗传物质入侵并适应长期环境压力，仍有许多未解之谜。近年来，随着宏基因组测序技术的发展，大量未培养微生物基因组被解析，但这些微生物携带的防御系统，及其与地球环境演变、微生物自身演化的互馈关系，仍缺乏系统性的认识。
该研究以墨西哥湾瓜伊马斯盆地IODP 385航次获得的热液区深部沉积物和岩石样品为研究对象，通过基因组解析和比较分析，共获得195个微生物基因组，鉴定出42类不同防御系统的353个防御相关基因，构建了热液深部地下微生物防御系统图谱，进而深入解译了深部地下微生物防御系统的组成和演化特征。
图1. 深部热液地下微生物防御系统的组成及分布。
研究发现，限制性修饰系统（RM）和流产感染系统（Abi）是深部地下微生物中分布最广泛的防御机制，普遍存在于多个细菌和古菌类群中，能够适应从浅层沉积物到受热液影响的海底深部、从低温到超过50℃的温度范围。这表明，即使在长期能量受限的深部环境中，微生物仍可以维持有效的遗传保护机制，以应对潜在的病毒侵染和外源遗传物质压力。
同时，该研究揭示了不同防御系统的明显生态分化特征：CRISPR-Cas系统主要分布于较浅层、温度相对较低的沉积环境，而原核生物Argonaute（pAgo）系统则在深部热液环境的古菌中较为突出；部分pAgo基因甚至存在于原位温度达到81.8℃的热液影响岩石样品中，可能在极端环境生命维持过程中发挥重要作用。
进一步分析表明，深部地下微生物防御系统的分布并非由环境温度单独决定，而更多受到微生物自身系统发育历史和群落组成的影响。随着沉积深度增加和温度升高，微生物群落逐渐趋向少数适应极端环境的优势类群，其防御策略也随宿主谱系变化而改变。这一发现彰显了微生物自身进化历程在塑造极端环境生命适应机制中的重要作用。
图2. 瓜伊马斯盆地地下群落中防御系统随深度和温度的分布特征。
最后，基于热液深部地下微生物防御体系的综合分析，该研究归纳提出：微生物防御系统不仅是抵御病毒侵染的重要工具，也可能与DNA修复、蛋白质维持以及其他细胞稳定机制一起，共同构成深部微生物长期生存的重要策略。
论文第一作者为我室博士后宿蕾（与Paraskevi Mara博士共同第一作者），通讯作者为美国北卡罗来纳大学教堂山分校Andreas Teske教授，合作作者包括美国伍兹霍尔海洋研究所Virginia Edgcomb教授。该研究受国家自然科学基金等项目资助。
论文信息：Su L#, Mara P#, Edgcomb V, Teske A*. From CRISPR-Cas to Argonautes: Defense systems of bacteria and archaea in the hydrothermal deep subsurface. ISME Communications, 2026, ycag200.
论文链接：https://doi.org/10.1093/ismeco/ycag200