在高温热泉极端环境烷烃代谢的微生物进化与起源

滇藏热泉生态系统中蕴含着丰富的微生物资源，包含大量的系统发育位置未知且功能奇特的神秘、新颖的微生物类群。课题组结合宏基因组学测序技术和生物信息学手段从中重构出14个具有甲烷/烷烃代谢能力的微生物基因组（图1），其系统发育多样性极高且独特，广泛分布于韦斯特古菌门、哪吒古菌门(Nezharchaeota)等TACK超级门中。值得一提的是，该课题组首次于奇古菌门(Thaumarchaeota)中发现其具有产甲烷功能。此前，奇古菌门以其好氧氨氧化能力而为众人所熟知，而课题组首次对其厌氧状态下产甲烷能力的发现表明我们目前对此门认知的局限性，神秘的自然界或将远远超出我们的认知。此外，组学技术的发展或将指引我们对其进化历史进行更全面的认知。课题组对这些未知生命的代谢特征进行了揭示，并发现除却传统的氢营养型产甲烷菌外，还有多种氢依赖的甲基营养性产甲烷菌，他们可吸收热泉生态系统中多种甲基底物以完成甲烷的产生（图2）。通过进化基因组分析，课题组还对古菌祖先的进化起源进行了推测，研究发现对于具有产甲烷能力的微生物类群，其甲烷代谢关键基因mcrABG相对较为保守，并无明显的水平基因转移时间发生；而对于烷烃氧化的微生物类群，水平基因转移对其多样性塑造有着深远影响。基于甲烷代谢基因的保守性，课题组对其祖先序列进行了序列重构，从而来推测祖先序列的最适生长温度，结果表明具有mcrABG标记基因的微生物类群或起源于高温生境（图3）。另外，由于 TACK和ASGARD超级门中，以及广古菌门中大部分支系均具有甲烷/烷烃代谢能力，且相应微生物相比其它同支系微生物有着更为悠久的进化历史，因此，课题组猜测地球早期生命中，古菌的祖先或具有甲烷和烷烃代谢能力。