从“水深”到“地形”，肖湘团队等发现超深渊地形孕育了最深海洋中的隐秘微生物热点

超深渊带（hadal zones）是指海洋中水深超过6km的区域，虽面积不足全球海洋的1%，却是有机质汇聚和微生物驱动生物地球化学循环的重要场所。长期以来，研究者多把水深视为解释超深渊微生物分布与活性的核心因素；但越来越多观测发现，即使在相近水深、相邻位置，微生物群落组成和代谢活动也可能显著不同，说明仅靠水深无法解释海沟内部复杂的生态异质性。海沟由板块俯冲形成，内部存在断层、谷地、脊部等细尺度复杂地形，这些结构可能同时影响沉积、有机质滞留、氧化还原环境和扰动过程。然而，在万米深海开展高精度定位、按地形定点采样并联合多组学和地球化学分析，技术门槛极高，因此地形效应长期缺乏直接证据。

在这一背景下，2026年7月20日，上海交通大学肖湘团队等在Cell Press细胞出版社旗下期刊Cell Host &Microbe上发表题为“Hadal topography incubates hidden microbial hotspots in the deepest ocean”的研究论文。该研究发现，超深渊地形，尤其是凹凸地貌，是塑造海沟微生物生态系统和碳循环过程的关键控制因素。

为直接检验地形对超深渊微生物生态的影响，研究团队借助“奋斗者”号在马里亚纳海沟6–11 km水深范围内开展了4次按地形定点的高精度采样，覆盖海沟底部、俯冲坡面和南部深渊边缘，并结合qPCR与宏蛋白质组分析微生物生物量和活性。结果显示，坡面和深渊站位的微生物丰度随沉积深度明显下降，表层约为10⁷–10⁸ copies/g，20 cm以下降至10²–10⁵ copies/g；而海沟底部在0–22 cm内始终维持10⁶–10⁷ copies/g。宏蛋白质组也呈现相同趋势：海沟底部整层保持高活性，而相近水深的相邻坡面站位之间活性可相差近一个数量级。说明超深渊微生物并非只受水深控制，局部地形已足以重塑其生物量与功能状态。

为定量评估地形是否会塑造海沟微环境与微生物组，研究团队基于高分辨率测深数据计算地形位置指数 TPI，并整合4次定点下潜、11个站位的地球化学、宏基因组和宏蛋白质组数据进行关联分析。结果表明，TPI 对地球化学变异的解释度最高（16%），高于水深（9%）和沉积深度（3%）；在宏基因组层面，TPI 的独立解释力（5%）也与水深（4%）和沉积深度（6%）相当。具体来看，凹地更易富集较高 TOC 和更新鲜的海洋有机质，凸地则有机质更少、更“老”、环境更氧化。

地形不仅改变群落组成，也重塑了海沟微生物的生态互动方式。研究团队基于马里亚纳海沟 55个地点、86个沉积柱样 中广泛分布的物种水平代表基因组（SRGs），沿TPI梯度构建了微生物共现网络。结果显示，地形越凹，网络越复杂：在TPI <−500的凹地，网络密度最高（0.006），中介中心性、接近中心性和度中心性也均最高；而在TPI >0的凸地，这些指标分别降至0.002、0.004、0.77和0.02，网络明显更松散、碎片化。

研究团队进一步选取TPI最低的海沟底部站位 FDZ070A（−910） 与代表性深渊站位FDZ074A（−48），开展沉积柱尺度的宏蛋白质组分析，追踪不同深度中“真正有表达”的微生物类群及代谢功能。结果显示，海沟底部表层可检测到多达1500个 functioning SRGs，且在>15 cm深层仍保持745–1059个活跃类群，覆盖38–52个门；相比之下，深渊站位从表层949个 快速降至深层 不足20个。为检验相近水深下细尺度地形是否足以改变微生物代谢策略，研究团队比较了同一次下潜中两个相邻坡面站位：凹地FDZ072A（TPI = −383）与凸地FDZ072E（TPI = 114），并用宏蛋白质组追踪沉积柱不同深度的活跃功能。结果显示，两者表层都具备高压深海生存所需的基础功能，但凹地在2–4 cm仍有451个 functioning SRGs 保持多样代谢，在18–20 cm仍可见227个活跃类群；而凸地在2–4 cm仅剩92个，更深层几乎只剩维持生存的基础表达。

此外，坡面凹地不仅是有机质和活性微生物的聚集地，还像一个“中转站”，可能帮助来自超深渊的微生物向上输送，从而增强最深海沟与更广阔海洋之间的生态连通性。研究团队基于物种水平代表基因组（SRGs）的微多样性与群体ANI（popANI），重建了南坡样点间的潜在扩散路径与方向。结果识别出3类扩散模式：其中2类以上行为主，分别表现为微生物从海沟底部或坡面凹地扩散到更浅的坡面、甚至深渊平原；仅1类 为沿“漏斗效应”向海沟底部的下行扩散。关键扩散链上的群体通常保持极高遗传相似性，如多处样点间popANI >0.995。

为定量评估地形如何影响超深渊碳循环，作者基于 11个站位 的地球化学剖面、功能基因与一维反应—输运模型，估算沉积物中的有机碳输入和微生物碳利用速率（MCU），并进一步外推到整个挑战者深渊。结果显示，TPI对有机碳输入和MCU的解释力分别达R² = 0.64和0.58，明显高于水深（均R² = 0.09）；地形越凹，有机碳输入和微生物代谢越强。模型还揭示，坡面凹地的MCU最高可达5.9，远高于研究区平均值1.8。

总体而言，研究结合高分辨率地形测绘、载人潜水器厘米级定点采样，系统解析了地形如何塑造超深渊微生物生态系统。研究发现：地形而非单纯水深，是解释海沟内部地球化学差异、微生物生物量、群落互作和代谢活性的关键因素；其中凹形地貌可富集更新鲜有机质，维持更高活性，并孕育此前未被识别的微生物碳周转热点，还可能作为微生物向上扩散的中转枢纽。这推动我们重新理解超深渊海沟由细尺度地形驱动、与更广阔海洋相连的动态系统，也为预测深海碳循环提供了新框架。

来源：CellPress全科学

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