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述出来。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体及其碳，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。但对于地下地下，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将高度新颖的生物群与地下来源直接联系起来。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。

水晶喷泉位于悖论盆地，犹他州，是一个CO 2驱动的，冷水间歇泉由一系列底层由页岩，泥岩的层隔开的含水层的进料。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微生物项目负责人Tanja Woyke说。

调查深地面地下

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的DPANN superphylum：Diapherotrites， Parvarchaeota，Aenigmarchaeota，Nanoarchaeota和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了探索地球生命多样性的最后边界。关于这些生态系统如何构建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。“研究共同第一作者亚历山大·普罗布斯特说，他是班菲尔德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种潜在的新型门。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”，这是一个非凡的古细菌，其细胞表面上有微型擒抱钩。

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细菌的“主要生产者”。

“在世界上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的小组之前也曾报道过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，他们将能源需求最高的机制与浅层地下水社区联系起来，而能源需求最低的机制则与深层地下水社区联系在一起。

此外，注意到普罗布斯特，数百个推定的共生生物，包括一个最丰富的生物在这些地下流体的潜在的共生体，其结合CO的古细菌的分析，鉴定基因组2在地下并将其转换为有机物质。

“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。

为该项目做出贡献的其他JGI研究人员包括：Joyica Jarett，Woyke实验室的博士后研究员，帮助生成和分析单细胞基因组; Rex Malmstrom，研究科学家/工程师，协助生成单细胞基因组; 曾在加州大学伯克利分校共同任命的前博士后研究员Christian Sieber提供软件。

Alexander Probst得到了德国科学基金会和劳伦斯伯克利国家实验室可持续系统科学重点领域的支持，该领域由美国能源部科学办公室资助。加州大学伯克利分校的工作由斯隆基金会“深度生活”资助。加拿大发现资助的自然科学和工程研究委员会向Cathy Ryan提供了水文地质和地球化学分析的资金。