2019年4 月25 日，香港中文大学罗海伟等人在 Nature 集团旗下微生物生态学国际顶尖期刊《The ISME Journal》上发表了题为《Phylogenomics suggests oxygen availability as a driving force in Thaumarchaeota evolution》的文章。
这是一篇纯生信分析的文章，数据完全来源于公共数据库。该研究将奇古菌门放在古地球上主要地质事件的背景下进行进化分析，为其他研究者提供了新的视角和很好的学习案例。
具体来说，该研究通过奇古菌系统基因组学分析揭示了奇古菌门三个接连发生的进化历史阶段，即从陆地上的非AOA 祖先开始起源、移居浅海区域，以及向深海扩张栖息地。严谨的分子年代测定表明，这些历史事件与大约2300 百万年前的地球大氧化事件（Great Oxygenation Event）以及800 百万年前和635-560 百万年前浅海和深海的氧化事件相关。该研究的结论是氧气的可获得性驱动了AOA 在陆地上的起源，并将其栖息地扩展到有光照的浅海和黑暗的深海，而奇古菌还通过从广古菌和细菌等获得基因来应对在这些生境转变事件中所遇到的环境胁迫。奇古菌门（Thaumarchaeota）包含了所有氨氧化古菌（AOA），广泛分布于海水、土壤、海洋沉积物、淡水沉积物、温泉和其他环境中（在海洋中占原核生物群落的 30%，在土壤中占 3%），并且在全球氮循环中起着十分重要的作用。大部分奇古菌门的物种仍未能被纯培养，它们的进化历史仍未被探索，这限制了对它们适应机制的了解。但来自纯培养、富集培养、未培养的单细胞和宏基因组组装的基因组（MAG）的序列正使从不同环境中奇古菌门的信息变得越来越丰富，这为研究这一新近发现群体在进化和生态位扩展过程中的适应性机制提供了契机。1. 构建系统发育树和分子年代预测分析：作者从数据库中收集了81个奇古菌门基因组和13个曙古菌门的基因组，利用核心基因构建的进化树来做分子年代预测，并结合已有文献的报道分析地球气候变化对奇古菌门基因组的影响。2. 评估横向基因转移（LGT）在奇古菌门进化中的作用：作者使用了两种互补的方法来推断潜在的LGT 事件，首先使用基因存在/缺失模式推断潜在的LGT 事件，这与基因系统发育无关。一旦将感兴趣的基因家族确定为潜在的LGT，则使用IQ-Tree 进行ML 系统发育分析推断该基因家族的起源。
系统基因组树表明奇古菌门四个主要类群依次进化，包括基底类群，陆生类群，浅水类群和深水类群。负责氨氧化的标志性基因即编码氨单加氧酶（Amo）的amoABC 基因，在基底群中完全缺失，但却普遍存在于陆生和海洋类群中。系统发育树还显示，基底、陆生和浅水类群是并系群，而深水类群是单系群，奇古菌门非AOA 物种和AOA 物种的分化时间能够与地球大氧化事件（GOE）很好地吻合。这表明，陆地AOA 的起源和奇古菌门内部第一次主要的生态和代谢分化与地球上第一次主要的氧化事件密切相关。此外，分析发现几条与电子传输和能量产生相关的潜在重要途径的获得也可能促进了奇古菌门从厌氧向有氧生活方式的过渡，如AOA 中普遍存在但在非AOA 中很少发现的过氧化物酶以及铁氧还蛋白-NADP+还原酶（FNR）基因家族，过氧化物酶可能参与氨氧化过程中的电子转移。FNR 主要参与光合作用，在光合作用中将一个电子从铁氧还蛋白转移到NADP+形成NADPH，在非光合作用的生物体中，FNR 反过来提供还原性铁氧还蛋白供给各种代谢途径，例如氧化应激反应。维生素 B2（核黄素）、B7（生物素）和 B12（钴胺）的生物合成途径在AOA 成员中普遍存在，但在奇古菌门的非AOA 成员中完全缺失，而维生素 B1（硫胺素）和 B6（吡哆嗪）的生物合成途径在AOA 成员和非AOA 成员中都普遍存在。维生素经常用作一些好氧代谢相关酶的辅因子，包括依赖生物素的酶，如乙酰辅酶A/丙酰辅酶A 羧化酶和依赖钴胺的酶如甲基丙二酸辅酶A 变位酶，通过自养羟丙酸/羟丁酸盐（HP/HB）循环与古菌中高效的无机碳固定相关。第一阶段的转变还伴随着奇古菌门异化硝酸盐和硫酸盐还原途径的丢失，氧敏感性丙酮酸氧化还原酶的丢失，以及Wood-Ljungdahl 厌氧固碳途径的丢失。第二阶段的转变与K+转运体和渗透压保护剂四氢嘧啶（ectoine）的生物合成途径的获得相联系。为了克服从陆地到海洋栖息地转变过程中的盐度胁迫，奇古菌门可能通过横向基因转移获得了调节渗透压相关的基因。例如，编码K+转运蛋白的基因kefA 普遍存在于奇古菌门海洋类群中，但在陆地类群中基本缺失，K+转运蛋白能对渗透压作出反应跨细胞膜运输K+来适应高盐度环境。此外，估计海洋奇古菌门AOA 从浅水生境扩展到深水生境（第三阶段的转变）大约发生了643 百万年前，与深海多重氧化事件相吻合，说明深海的氧含量已经能够满足奇古菌门的需求，而之前整个埃迪卡拉纪（Ediacaran）的海洋都是处于缺氧状态的。而第三阶段的转变伴随着深海奇古菌门类群修复紫外线引起的DNA 损伤的编码外切酶的uvr 系统和磷限制下用于获取磷酸盐的PST 系统的丢失，但在其他奇古菌门AOA 中始终存在。这些基因的丢失与深海的物理化学条件一致，那里没有紫外光，磷酸盐充足。此外，系统发育分析表明，奇古菌门在从非AOA 到AOA 的过渡过程中，有11 个基因家族可能是从广古菌门（Euryarchaeota）获得的，有2 个基因家族可能是从泉古菌门（Crenarchaeota）获得的。
81个奇古菌门基因组和13个曙古菌门基因组的生态相关基因的系统发生模式
系统发育分析表明，32 个包含海洋和陆地类群的奇古菌门基因家族被包围在细菌谱系中，说明它们是从细菌转移到奇古菌门中以增加奇古菌门环境适应性的。包括编码亚精胺合成酶负责亚精胺合成的基因，除了在细胞生长和增殖中发挥功能外，亚精胺还起到自由基清除剂的作用，保护DNA 免受活性氧（ROS）的破坏。以及编码DNA 结合铁蛋白的基因，该蛋白能够利用铁氧化酶活性消耗亚铁（Fe2+）和过氧化氢的压力参与DNA 的氧化保护。还有在细胞氧化还原调节中起作用的YnaK 蛋白。由于AOA 的起源与GOE 重合，从细菌中招募这些基因家族可能帮助它们克服了GOE 所施加的氧化应激，促进了奇古菌门从缺氧生境到缺氧生境的适应。此外，还有几个从细菌最近获得的基因，包括限制性亚基、甲基转移酶亚基组成的限制修饰系统（RM），可以保护奇古菌门海洋类群免受病毒感染或其他外来DNA 入侵。（原文链接：http://dx.doi.org/10.1038/s41396-019-0418-8）该研究的重要发现是氧气的可获得性是在地质时间尺度上导致奇古菌门进化的最重要的驱动因素之一，虽然奇古菌门扩展到新的生态位是由细菌中关键基因的横向转移促进的，但是这一过程对奇古菌门进化的总体影响没有之前的报道的那么重要。近年还有很多这类纯生信分析的高分文章，如进行全基因组的进化分析的：1. Evolution in action: habitat transition from sediment to the pelagial leads togenome streamlining in Methylophilaceae （ISME, 2019, JCR一区）2. Comparative genomics sheds light on niche differentiation and the evolutionaryhistory of comammox Nitrospira （ISME, 2018, JCR一区）3. Evolutionary and functional patterns of shared gene neighbourhood in fungi(Nature Microbiology, 2019, JCR一区)4. Comparative Genomic Analysis Reveals the Distribution, Organization, andEvolution of Metal Resistance Genes in the Genus Acidithiobacillus (AEM, 2019, JCR一区)1. From root to tips: sporulation evolution and specialization in Bacillussubtilis and the intestinal pathogen Clostridioidesdifficile (MBE, 2019, JCR一区)2. Lateral Gene Transfer Shapes the Distribution of RuBisCO among Candidate PhylaRadiation Bacteria and DPANN Archaea (MBE, 2019, JCR一区)3. Evolutionary history of carbon monoxide dehydrogenase/acetyl-CoA synthase, oneof the oldest enzymatic complexes（(PANS, 2018, JCR一区)4. Evolutionary and molecular foundations of multiple contemporary functions ofthe nitroreductase superfamily (PANS, 2017, JCR一区)这类文章的共同特点是数据量大（但都是来源现有数据库），分析手法较为相近（比较基因组、系统发育分析）、对现有文献的凝练及推断的功力较强（因为进化这种上百万年大尺度的生物学事件不好用实验模拟或者验证，主要靠想！），足不出户就可SCI满贯，最后安利几本相关领域的高分期刊：1. Molecular Biology and Evolution （IF 14.8, 审稿周期：1-2个月）2. Nature Ecology & Evolution （IF 11.0，Nature新子刊）3. The ISME Journal （IF 9.5, 审稿周期：3个月左右）
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