Nat Commun：宏基因组学提示曙古菌门的代谢和进化(中大李文均组)

本文转载自“美格基因”，已获授权。

2018年7月19日，中山大学生命科学学院李文均教授课题组在国际一流综合性期刊《Nature Communications》（IF:12.353）发表学术论文。该课题组博士后花正双及科研助理屈燕妮为共同第一作者，李文均教授为唯一通讯作者。

 该研究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能分离培养微生物类群曙古菌门（Aigarchaeota）6个完整的基因组，对其代谢特征和起源进化进行了深入研究。

Genomic inference of the metabolism and evolution of the archaeal phylum Aigarchaeota

期刊：Nature Communications

时间：2018.7.19

IF: 12.353

DOI: 10.1038/s41467-018-05284-4

曙古菌门（Aigarchaeota），其成员广泛分布于陆地和地下地热系统及海洋热液环境；迄今为止，在IMG和NCBI RefSeq数据库中只有8个非冗余曙古菌门单扩增基因组（SAGs）和宏基因组组装的基因组（MAGs），并且CheckM¹⁰估计只有1个的完整度>90%。基于保守单拷贝基因的系统发育分析显示，曙古菌门与泉古菌门（Crenarchaeota）、初古菌门（Korarchaeota）和奇古菌门（Thaumarchaeota）紧密相关，形成了“TACK”总门。作为姐妹谱系，奇古菌门在氮循环中的重要性已有大量的研究，特别是关于化能无机营养的氨氧化。而相比之下，关于曙古菌门的生态作用或进化历史却知之甚少，甚至其是否能代表一个新的门或是作为奇古菌门的subclade仍有争议。本文研究基于宏基因组学和比较基因组学研究，旨在填补Aigarchaeota的起源和进化历史及它们在生物地球化学循环中作用的空白。

材料与方法

2个温泉沉积物样品（JZ和GMQ）采集自云南腾冲（图1a），液氮保存运回实验室，取20 g样品经PowerSoil DNA Isolation Kit（MoBio）提取DNA，构建350 bp文库，基于Hiseq 4000 PE150测序，每个样品约30 G。

主要结果

01

 重构Aigarchaeota基因组

图1. 重建的Aigarchaeota基因组

表1 从宏基因组装中重构的Aigarchaeota和Thaumarchaeota bins的一般基因组特征

对两个温泉沉积物宏基因组测序数据进行组装和基因组binning，获得了6个接近完整的曙古菌门基因组bins（表1）。这些bins的基因组大小在1.09 ~1.65 Mbp之间（平均为1.4 Mbp），平均编码1384个基因，平均基因长度为905 bp，完整度为97~99%，并且几乎没有其他可检测到16S rRNA和tRNA的基因组片段的污染。利用16s核糖体蛋白的串联比对构建最大似然系统发育树，揭示了这6个基因组位于明显不同的谱系（图1c）。

02

Aigarchaeota的代谢潜能

图2.  Aigarchaeota代谢潜能综述

Aigarchaeota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；同时部分菌株中检测到的CS（Citrate synthetase）基因表征该类微生物可通过roTCA循环完成CO₂的固定；此外，部分菌株拥有硫酸盐还原功能，以充分适应热泉生态系统中高硫含量特征。（图2）

大多数Aigarchaeota都有亚铁血红素-铜氧化酶，可以利用氧作为电子受体的需氧菌。而GMQ bin_10和JZ bin_10缺乏末端氧化酶，即为厌氧菌；且它们位于曙古菌门系统发育顶端，说明了一种从兼性厌氧到严格厌氧生活方式的转变的可能。不像大多数Aigarchaeota代谢多样性丰富，GMQ bin_10和JZ bin_10缺乏CO氧化、需氧呼吸、异化亚硫酸盐还原和硫化物氧化途径，这种显著的代谢差异暗示着曙古菌门正在经历同域趋异进化。

03

Aigarchaeota的真核特征

在曙古菌门基因组中识别了几个真核特征蛋白，包括由Ub-、E1-、E2-、E3-和Dub-like蛋白组成的泛素修饰系统和64种核糖体蛋白（超过一半被认为和是真核生物一样的RPs），还有多种GTPases；表明这些古菌惊人的混有细菌和真核生物的特征。

04

Aigarchaeota的进化历史

利用包括14个Aigarchaeota和80个Thaumarchaeota的94个基因组，构建phylogenetic和phylogenomic tree，确定了Aigarchaeota和Thaumarchaeota是两个不同的门，两者的最后共同祖先是嗜热菌，并且海洋奇古菌门是嗜热菌的子世代。

为了描述Aigarchaeota和Thaumarchaeota的进化历史，通过将推定的基因同源物映射到Bayesian tree来预测基因获得和丢失事件，结果发现两者是单源的且分享它们共同祖先的超过1000个同源基因（图3）。而为了能更好的理解基因丢失事件的过程，研究了这6个基因组的变体来获得环境选择在基因组进化中影响的细节。结果发现除了JZ bin_10，6个基因组中发现的SNPs都是相当的，且几乎所有的基因组中有超过一半的SNPs是同义突变，说明在大多数情况下，这些突变对它们在极端热的生境中的生长都没有影响。几乎所有的dN/dS值都小于1，表明正在进行正选择以移除有害的突变。

图3. 利用COUNT软件重建祖先基因组目录

05

通过基因水平转移扩大遗传多样性

水平基因转移（HGT，Horizontal gene transfer）可能作为主要驱动因素提供遗传变异，这允许不同类型的Aigarchaeota去占据不同的生态位，导致了相同生境中的功能分区和生态趋异。（图4）

图4. Aigarchaeota中发现大量的水平基因转移事件

小结

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的提升了两者对各自生境的适应性，该研究极大的促进了我们对古老且神秘的古菌支系的认知。

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