科研 | ISME：海洋地壳生物圈中发现的不可培养菌Hydrothermarchaeota具有Carboxydotrophy潜力
编译：金鹏程，编辑：小菌菌、江舜尧。
原创微文，欢迎转发转载。
对于在某一环境中发现的新菌，可以从哪些角度进行研究？如何对测序得到的数据进行深入挖掘？本文给了一个很好的参考。
论文ID
原名：Carboxydotrophy potential of uncultivated Hydrothermarchaeota from the subseafloor crustal biosphere
译名：海洋地壳生物圈中的不可培养菌Hydrothermarchaeota具有一氧化碳氧化潜力
期刊：ISME
IF：9.40
发表时间：2019.2
通讯作者：Michael S. Rappé &Beth N. Orcutt
作者单位：Bigelow海洋科学实验室、夏威夷大学马诺阿分校
实验设计
研究思路
取海底流体样本—>宏基因组测序、单细胞测序—>测序序列组装—>Hydrothermarchaeota进化地位—>Hydrothermarchaeota电子受体、基础代谢、碳循环等—>环境适应性=>结论
项目来自于综合大洋钻探计划（IODP），在亚特兰蒂斯号考察船的远程操控平台JasonII上收集地壳流体样本。在U1362A和U1362B钻孔，分别取沉积物以下190m和30m深处的流体样本用于宏基因组分析。U1362A钻孔收集的190m深的流体样本和U1362B井口平台上打开球阀处的流体样本，用于进行单细胞测序分析。
宏基因组组装得到的序列称之为MAGs(metagenome-assembled genomes)，共得到98个MAGs，其中3个被认为是Hydrothermarchaeota。单细胞测序组装得到的序列称为SAGs（single-amplified genomes）。基于16S RNA、硝酸盐还原酶和核酮糖-1,5-二磷酸羧化酶/加氧酶（RuBisCO）基因构建系统发育树。从公共数据库中下载43个单拷贝标记基因进行基因组系统发育树的构建。
结果
1 Hydrothermarchaeota 的MAGs和SAGs比较基因组结果
U1362A和U1362B钻孔样本组装得到的SAGs中，Hydrothermarchaeota分别占42%和24%。有5个SAGs用来进行基因组测序，有2个来自于U1362A，3个来自于U1362B。这些SAGs的大小和完整性分别在1.26Mbp,70%和0.47Mbp,23%之间。基于这些SAGs数据。我们判断Hydrothermarchaeota基因组大小为1.8Mbp。三个Hydrothermarchaeota MAGs的大小和完整性分别在1.35Mbp，31%和2.18Mbp，97%之间（具体见Table1）。
基于16S rRNA基因的系统发育树结果表明，Hydrothermarchaeota其他一些地壳环境样本关系较近（Fig1 A）。其中，来自于U1026B钻孔的样本的序列聚在一起，只有MAG JdFR-18与马亚娜南部海槽的热液喷口的样本聚类到一起。同时，基于全基因组的ANI分析也证明了该系统发育树的结果（SAG AC-708-N22除外）。这些数据表明了两个不同钻孔位置和深度层之间的连通性和Hydrothermarchaeota群落的多样性。
Fig1 A 与其他Hydrothermarchaeota 16S rRNA构建的进化树
2 Hydrothermarchaeota的进化位置
本研究揭示了Hydrothermarchaeota在古菌分类树中的进化地位。基于16S rRNA和43个单拷贝标记基因的进化树都表明Hydrothermarchaeota的根节点为DPANN总门（Fig1 B）。目前对于古菌根节点有多种预测方法，但不管怎么样，Hydrothermarchaeota都代表了一个早期的分支谱系，应该在未来的进化模型中加以考虑。同样地，对于JdFR地壳生态系统的进一步探索对于解释早期分支谱系的代谢潜能也很重要。类似于其他早期生命环境，地壳含水层代表了一种无阳光和氧气的高温缺氧环境，甚至可以相当于热液排放系统。
Fig1 B 基于43个单拷贝标记蛋白构建的进化树
3 Hydrothermarchaeota的终端电子受体
通过宏基因组学和单细胞基因组学的结合，我们可以通过确认SAGs中的重要基因来验证之前构建的MAGs。在这里，每个基因的功能被单独评估，以提供谱系代谢潜能的综合判断（Fig 2）。
Hydrothermarchaeota基因组中含有多个终端电子受体基因，包括硫酸盐、硝酸盐和潜在的金属氧化物，说明了氧化剂选择的多样性。对关键的硫酸盐和硝酸还原酶亚基的系统发育分析表明，这些基因代表了迄今为止发现的这些酶的最早进化形式，进一步支持了Hydrothermarchaeota可以作为一个深分支的谱系的理论。
JdFR的Hydrothermarchaeota有明显的硫酸盐还原能力。大多数基因组中至少有一个sulP通透酶，说明硫酸盐可以进入Hydrothermarchaeota细胞，而MAG JdFR-18含有硫酸腺苷酸转移酶的编码区（sat），该酶可以将硫酸盐还原成5′-磷酸腺苷（APS），APS还原酶可以将APS还原成亚硫酸盐。SAG AC-708-L17和三个MAGs中包含异化亚硫酸盐还原酶基因（dsrAB），该酶可以将亚硫酸盐还原成硫化物，说明了亚硫酸盐还原功能的存在。在SAG AC-335-L21和三个MAGs中发现的dsrA基因和几个早期进化物种的硫酸盐还原酶基因很相近。dsrA基因并不是在Hydrothermarchaeota中单独存在的，而是存在水平转移现象的。硫酸盐还原的电子可能通过膜结合dsrMK从menaquinone环传递到一种可溶性的、未知的电子载体蛋白。例如，DsrC蛋白就被认为是一个电子载体。其它硫化物种作为Hydrothermarchaeota电子供体或者受体的能力是有限的，并且在其它任何Hydrothermarchaeota的基因组中未发现硫酸盐还原酶的证据。
Fig2 Hydrothermarchaeota的代谢情况分析
在JdFR流体中的微生物具有硫酸盐还原能力，有充分的证据。这些液体中充满硫酸盐，并包含dsrAB基因。在JdFR岩石中还检测到dsrAB基因，以及指示微生物硫酸盐还原的黄铁矿硫稳定同位素。我们假设，Hydrothermarchaeota与之前在该生态系统中发现的Delta变形菌、厚壁菌和古生球菌一起，对该生态系统中硫酸盐有还原潜力。
Hydrothermarchaeota对具有呼吸作用的终端电子受体也具有代谢能力，如硝酸盐还原基因的存在。基因组中包含两种不同类型硝酸盐还原酶基因，nap和nar。napA基因的系统发生树的结果也说明Hydrothermarchaeota是早期的一个分支，与前面提到的该菌的进化地位一致。然而，在这个生态系统中硝酸盐还原的可能性还不清楚。硝酸盐在进入海洋地壳后迅速耗尽，多年来在JdFR流体中测量的浓度偏低。似乎，微量硝酸盐可以强烈循环，正如在具有隐秘氮循环的大陆地下系统和JdFR的宏基因组数据中观察到的那样。因此，地壳生态系统中硝酸盐还原的可能性值得进一步关注。
Hydrothermarchaeota基因组包含许多不同c型细胞色素的基因，这些基因可能参与了末端电子转移过程。在古生菌中，已知含有c型细胞色素的微生物仅限于古生菌目、甲烷细菌目、盐细菌目和热原体目，它们在这些目中充当电子转移蛋白。考虑到嗜中性厌氧菌的代谢，我们假设Hydrothermarchaeota中的c型细胞色素是存在以下两种可能性，一是通过电子传输系统阐释质子梯度，就像在产甲烷菌中那样，另一个是建设胞外氧化铁物种，就像在海洋菱形藻中那样。
4 Hydrothermarchaeota的碳循环
所有的Hydrothermarchaeota基因组都含有CO循环和Wood-Ljungdahl通路相关基因，说明这些微生物具有在同化和异化途径中利用CO进行carboxydotrophs的能力。大多数基因组中含有CO脱氢酶催化亚基cooS和/或CO脱氢酶成熟因子cooC，它们可以一起用于CO到CO2的异化过程。
Hydrothermarchaeota基因组中缺少cooH和cooL，还有相关电子载体cooF基因，取而代之的是，Hydrothermarchaeota的CO氧化还原可能和硫酸盐还原同时发生。
Hydrothermarchaeota SAGs和MAGs都包含1-2个CODH/ACS复合体（cdhABC和cdhCED），可将CO2还原成CO以形成乙酸盐，这是Wood-Ljungdahl通路的关键步骤。CODH/ACS复合体是早期进化来的复合体，因此它的出现与该菌是一个早期分支是相吻合的。这些复合体和Wood-Ljungdahl酶的出现也说明了Hydrothermarchaeota能将CO同化到生物量中。有几个SAGs和3个MAGs也包含甲酸脱氢酶，说明CO氧化过程中有甲酸产生，或者甲酸可以作为一个电子供体，就像在A.fulgidus中观察到的那样。
Hydrothermarchaeota并没有参与甲烷循环，尽管它们拥有一些已知的参与甲基循环的基因，例如mtrH，这些酶与甲基辅酶M的甲基化有关。另外，在Hydrothermarchaeota基因组中也未发现mcr基因，说明该菌不能产生甲烷。随后，作者针对mcrA基因进行了PCR验证。结果果然未发现相应的PCR产物。这些结果进一步支持了Hydrothermarchaeota不包含mcrA基因。在另外一些SAG和菌种，也未发现mtrH和mcrA基因。表明这些物种中甲基辅酶M的甲基化代谢物有了另外的归宿。假定最后一个共同祖先是产甲烷菌，Hydrothermarchaeota的进化地位可能会进一步加深人们对这种古老和基础代谢的分布和进化的理解。
虽然还没有发现已知的共诱导氢化酶，但是SAG AC-344-K11和MAG 16和17中发现了Ni-Fe氢化酶基因。这些氢化酶可以作为CO氧化过程中产生的电子的接收器。然而，也有可能的是，Ni-Fe氢化酶可以使硫酸盐的氢营养还原，就像在A.fulgidus中观察到的那样。除了Ni-Fe氢化酶外，大多数JdFR的Hydrothermarchaeota都包含F420还原性氢化酶β基因，这是Wood-Ljungdahl路径所需的氢化酶，同时也包含hypABCDEF和氢化酶成熟蛋白。
考虑到CO氧化和硫酸盐还原的证据，计算了Gibbs自由能，并与其他电子供体进行了比较。在测试的反应中，当电子转移归一化时，CO氧化与硫酸盐还原结合产生了最大的激发能条件，这些结果说明了Hydrothermarchaeota可以在这个温暖的地壳生物圈中养活微生物食物网并驱动碳循环。
5 基本代谢物和生物分子的代谢路径
JdFR的Hydrothermarchaeota菌含有糖、氨基酸、核酸和脂代谢的路径。总的来说，基因组中有许多糖异生/糖酵解途径的基因，只是缺失丙酮酸激酶。我们假设磷酸烯醇式丙酮酸可能被磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶转化为草酰乙酸，而不是转化为丙酮酸。该菌中存在不完整的TCA循环，这类似于其他厌氧古菌群，如产甲烷菌。在厌氧微生物中，TCA相关基因为合成一些重要的生物合成中间体提供了可能，如琥珀酸盐、琥珀酸辅酶A等。这些产物可以作为氨基酸、嘧啶和嘌呤代谢的基石。Hydrothermarchaeota具有许多利用甲戊酸途径合成类异戊二烯基脂质的基因，微量元素Co、Ni、Mo、W和维生素生物素以及支链氨基酸的转运体，也被发现。以上这些物质都可以作为细胞氮和有机碳的潜在来源。
一些JdFR基因组包含RuBisCO基因，可以通过RHP循环固定CO2以合成代谢物。Hydrothermarchaeota包含许多RHP循环所必须的基因。当RHP循环中的两种酶协同作用时，它们产生H4MPT，这是Wood-Ljungdahl通路的重要代谢产物。然而，磷酸布洛基酶，一种重要的RHP酶，还没有在JdFR的Hydrothermarchaeota中检测出来，因此RHP循环的潜力还不能被证实。
6 Hydrothermarchaeota的适应性策略
与海洋环境中的古菌相比，JdFR Hydrothermarchaeota的部分基因组中包含更多的趋化运动相关基因。与沉积物和海洋水体相比，JdFR中的趋化运动相关基因的丰度也高。
Fig4 趋化运动相关基因的相对丰度
结论
评论
你可能还喜欢