曙古菌门微生物基因组代谢特征和起源进化研究方面取得重要进展

来源：中山大学

 近日，我校生命科学学院李文均教授课题组在国际著名学术期刊Nature Communications上发表题为“Genomic inference of the metabolism and evolution of the archaeal phylum Aigarchaeota”的学术论文。论文作者利用宏基因组技术从中国云南陆生热泉生境中发现并拼接出未培养微生物类群Aigarchaeota门类微生物六个完整的基因组（如图），对其代谢特征和起源进化进行了深入研究。我校生命科学学院博士后花正双及科研助理屈燕妮为共同第一作者，生命科学学院李文均教授为唯一通讯作者。   

 

Aigarchaeota基因组多样性及其代谢通路图
 

        Aigarchaeota广泛分布于高温生境，是一类严格厌氧或兼性厌氧化能自养型微生物。其代谢功能多样化，可氧化热泉生境中丰富的包含C、H、S等元素的气体（如CO，H2，H2S等）实现能量的自我供给（如图）。而其遗传多样性的获得主要由水平基因转移（HGT，Horizontal gene transfer）所贡献，研究表明：Aigarchaeota更容易从系统发育距离较近的Euryarchaeota和Crenarchaeota处获得基因，此外，细菌对其遗传多样性也有着不可或缺的贡献，Aigarchaeota中的硫酸盐还原功能、CO的氧化以及CO2的固定均从细菌处经HGT所获得，这大大促进了同区域内Aigarchaeota的功能划分以及生态位分化，从而使得其更好的适应并生存于寡营养的热泉生境。另外，Aigarchaeota和Thaumarchaeota的系统发育关系一直饱受争议。作者通过比较基因组和进化基因组学分析发现：Aigarchaeota和Thaumarchaeota由共同祖先分化形成，其祖先早期共同生存于高温环境中，至今生存于高温热泉中的Thaumarchaeota与Aigarchaeota仍呈现较高的功能相似性。它们的共同祖先共享1154个基因家族，其数目甚至超过现存Aigarchaeota基因家族数目，表明二者祖先的高度相似性。广为人知的Thaumarchaeota早期并无氨氧化能力，而是后期于高温生境中进化所得，随后Thaumarchaeota扩散至海洋生境中，由于海洋生境中氮源的匮乏，因此Thaumarchaeota展现出独特的竞争优势，而被保留于海洋生境中，从而实现高温氨氧化古菌向中温环境的转变。
        本研究通过重构未培养古菌类群Aigarchaeota基因组信息，揭示其潜在的代谢潜能及其遗传多样性获得机制，并结合数据库中已有Thaumarchaeota和Aigarchaeota基因组进行比较基因组学和进化基因组学分析，勾勒出这两个近缘支系的演化历史场景，指出古菌类群 Thaumarchaeota和Aigarchaeota的共同祖先起源于高温生境，频繁的水平基因转移极大地提升了两者对各自生境的适应性，该研究极大地促进了我们对古老且神秘的古菌支系的认知。
        上述研究工作得到了国家科技部科技基础资源调查专项、国家自然科学基金，以及广东省自然科学基金研究团队项目的资助。

        原文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-018-05284-4