重磅综述 | Nature Microbiology：古菌多样性、生态学及进化特征
编译：橙，编辑：小菌菌、江舜尧。
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与细菌相比，我们对古菌的认识是有限的。从历史上看，微生物学家主要依靠纯培养和单基因多样性调查来了解自然界中的古菌。然而，在目前的27个古菌门中，只有6个可培养。基因组测序的进展正在迅速改变我们对于古菌的认知。从环境中挖掘未培养群体的基因组，发现了多个新的门，其中许多门在全球分布广泛，是地球上的主要有机体之一。
本综述将讨论这些基因组以及在长期的富集培养研究和原位测量中，如何提供对古菌代谢能力新的观点。这些研究如何揭示古菌在调节一系列生态过程中的重要性，包括全球碳和营养元素循环，以及古菌多样性的增加如何扩展了我们对于生命树和早期古菌进化的看法，并为真核生物的起源提供了新的观点。
论文ID
原名：Diversity, ecology and evolution of Archaea
译名：古菌多样性、生态学及进化特征
期刊：Nature Microbiology
IF：14.3
发表时间：2020.5
通信作者：Brett J. Baker
通信作者单位：美国德克萨斯大学海洋科学研究所
前言
最初所有的单细胞、非真核微生物都被归类为“原核生物”，后来又被归类为无核原虫类。早期的分类主要根据形态学特征，将细菌和古菌归为一类。Carl Woese基于核酸的比较和系统发育分析，首次让人们全面的了解微生物的进化联系。这些方法表明，生命体应该分为三域：真核生物、细菌和古菌。对古菌的研究发现，古菌在遗传和生化上与真核生物有许多相似之处，古菌与真核生物的亲缘关系似乎更近。古菌和真核生物共有的一些特征包括组蛋白、复杂的RNA聚合酶和蛋氨酸翻译启动等。随着新的古菌分类群的发现，古菌与细菌及真核生物似乎截然不同，这三个域中的生物都有自己独特的遗传、生化和细胞特征。事实上，与细菌相比，古菌可能与真核生物有更多的共同之处，例如基因组结构(内含子、组蛋白等)、转录和翻译机制，以及细胞壁缺乏肽聚糖等特点。
随着PCR技术的发展和测序成本的降低，使人们能够从环境中获得大量的16S rRNA基因序列，可用于系统发育分析和分类鉴定。在自然界中发现了大量未培养的微生物多样性，并使我们意识到目前对于微生物的认知会受到无法培养微生物的限制。最初，古菌主要属于两个门，Euryarchaeota和Crenarchaeota。然而，更广泛的环境采样开始揭示出不属于这两个门的深层进化分支，如嗜热Korarchaeota。这种未纯培养微生物通常被称为“微生物暗物质”。
在过去的十年里，DNA测序和计算方法的进步使得从自然中快速重建基因组成为可能。这些进展包括高通量测序、宏基因组组装和Binning，以及单细胞扩增测序。根据目前可用的古菌基因组的数量来看，在我们对更多的谱系进行全面采样之前，我们还有很长的路要走(图1)。从可培养代表性的门中获得的基因组数量有很大的正偏差。目前已知的亚门有三个：Asgard、DPANN和TACK。
图1. 古菌基因组多样性。基于3599个古菌基因组的数据库，包括宏基因组、单菌基因组和分离组装基因组。带红点的是目前尚未纯培养的群体。线条颜色表示所属的门。
除了加深关于古菌多样性的认知外，这些重构基因组也增进了我们对古菌新陈代谢和生态作用的理解。在此之前，我们对古菌生理学的了解仅限于培养的代表。然而，大量尚未纯培养的古菌中发现更多的基因组，揭示了古菌的各种新的生态角色，例如在碳循环和养分循环中(图2，3)，生命树中更大规模的基因组采样还提供了对古菌的进化历史及其在复杂细胞生命起源中的作用的见解。
图2. 古菌的生态作用。好氧和缺氧环境中不同古菌谱系在碳、氮和硫循环中的关键生物地球化学作用概述。
图3. 古菌的代谢潜力。基于关键基因的古菌谱系生理功能，以及目前发现的古菌代谢途径的分布特征。
1 广古菌门(Euryarchaeota)
首次发表的古菌甲烷杆菌目是1958年从牛瘤胃中获得的。Thermoplasmata的一个成员于1970年分离得到。目前广古菌门包含了最多数量和多样性的培养菌株。除了产甲烷菌外，还发现了嗜盐古菌、嗜酸古菌和嗜热古菌，这些极端微生物的发现在一定程度上促进了我们对这一门的生物学理解，为生理研究和基因组分析提供了许多培养的代表菌株。此外，这些古菌的发现也提高了我们对生活在极端条件下的生物适应能力的理解。例如，一种古菌被证明可以在高达122摄氏度的温度和20MPa的高压下保持生长，这突破了地球上生命的温度上限。近年来，原位地球化学和“组学”研究揭示广古菌门不仅参与甲烷生产，而且还参与厌氧甲烷氧化。这些古菌也参与了其他短链碳氢化合物的厌氧氧化，这表明这些微生物在生物地球化学循环中扮演的角色比之前的认知要多得多。
广古菌门的新分支，虽然古菌通常被认为是微生物生物圈中罕见的成员，但euryarchaeotes已被证明是几个生态系统中的主要成员。这些微生物和其他突出的谱系类似，对于全球生物地球化学循环十分重要，基因组学的发展扩大了我们对这一门的生物多样性和生态学的认知。在广古菌中获得了几个属于不同谱系的基因组，例如，从海底得到的MBG-E，这些基因组被提议作为一个单独的门，被命名为Hydrothermarchaeota。但是它们在古菌生命之树的位置上仍存在争议，不同的系统发生分析表明，它们与Euryarchaeota的位置是不同的（图4），甚至部分分支紧密结合到DPANN。
图4. 最新的古菌系统发育树。使用36个保守的标记蛋白(主要是核糖体蛋白)生成的系统发育树。
广古菌门的生态作用：广古菌传统上被称为产甲烷菌，然而，一些谱系也参与了厌氧甲烷氧化过程，被称为厌氧甲烷氧化菌。除了代谢甲烷的能力外，最近的研究表明，一些广古菌还可能降解其他碳氢化合物。对于从高盐甲烷环境中重建的GoM-ARC1基因组，发现这些微生物具有与丁烷或甲烷氧化有关的mcr基因(图5)。GOM-ARC1的代谢分析表明它们缺乏丁烷(丁酰辅酶A)氧化途径，而包含一种新的类似甲烷生成的途径。根据这些发现，推测它们参与了另一种碳氢化合物的氧化，很可能是乙烷，这一点在10年的培养实验中得到证实。除了它们在碳氢化合物转化中的作用外，广古菌还通常参与硫、氮和铁的循环。最近也有例子表明，不同的谱系参与了有机物(如蛋白质)的降解，这表明它们在自然界中占据着不同的生态位。MG-II和MG-III古菌普遍存在于全球的海水中，最近被命名为Poseidonales和Pontarchaea，并被认为参与了高分子有机化合物的循环利用。
图5. 古菌MCR蛋白的多样性。
2 DPANN superphylum
Karl Stetter实验室在从热液口培养微生物时，发现了附着在Ignicoccus上的古菌，被命名为Nanoarchaeumequitans。系统发育分析表明，该物种属于一个新的门：Nanoarchaeota。作为最小的基因组之一(490kb)，缺乏许多必需基因，包括脂质、辅因子、氨基酸和核苷酸生物合成基因，这表明它是一种专性共生体，依赖于其宿主获取必需分子。来自酸性矿山排水地点的嗜酸性微生物(ARMAN)表明，用于多样性调查的普通PCR引物忽略了ARMAN。利用过滤富集和最早使用的宏基因组技术，获得了3个大小约为1Mb的近完整基因组，基因组分析表明，它们在某种程度上也是共生体。ARMAN和Nanoarchaeota被证明是DPANN超门的一部分。从地下水中采集的更广泛的DPANN基因组样本极大地扩大了DPANN超门的认知。
DPANN的生态作用：属于DPANN超门的古菌在以往的多样性调查中往往被忽视，起初人们认为它们仅限于极端酸性和热液环境；然而，现在发现它们在自然界中无处不在，并在不同环境中发挥着重要的生态作用。这一超门必须依赖于与其他古菌的相互作用来获得必要的生物分子，但它们中的一些群体具有通过糖酵解、β氧化和其他途径利用有机化合物(如碳和脂质)的能力。
3 TACK superphylum
嗜热和嗜酸的Crenarchaeota是其中最易快速培养的古细菌，使这种门成为迄今为止研究最广泛的门之一。16SrRNA基因多样性显示，一些与Crenarchaeota相关的未纯培养的谱系，包括MG-1、MCG、MBG-A和MBG-E，以及TMCG。这些微生物由于在中温沉积物和海水中分布较广而被称为“中温Crenarchaeota”。除Crenarchaeota和Thaumarchaeota外，Korarchaeota和Aigarchaeota的基因组已显示为单系，这四个门统称为TACK superphylum。
Crenarchaeota包含一些从黄石国家公园温泉中分离出的一种来自Sulfolobus的古菌。Crenarchaea最初被分类为不同于其他古菌的门，后来在一些Crenarchaeotes中发现了组蛋白。许多Crenarchaea是厌氧异养生物，利用蛋白质和糖，而其他则是硫循环化学自养生物。这些谱系大部分都是从富含硫的高温环境中分离，因此它们主要是嗜热菌。
Thaumarchaeota中含有氨单加氧酶基因，这表明它们参与了氨氧化为亚硝酸盐(亚硝化的第一步)。海洋海绵中的共生成员Cenararum symbiosum的基因组显示，它们还包含一条完整的固碳途径，现在被证明是最有效的固碳途径之一。2005年，获得了MG-I的第一个纯培养微生物，该分离株的基因组表明一些MG-I能够在海洋进行氨氧化。此外，Thaumarchaeota能够从尿素和氰酸盐中获得氨，它们的活动与温室气体N2O的产生有关，还被证明可以合成甲基膦酸盐，这是在营养有限的海洋中生产甲烷的潜在底物。Thaumarocota被认为是地球上数量最丰富的古菌之一，它们在深海和土壤占很大比例，从淡水到超过160ppt的盐度，从pH3.5到pH8.7，从北极到74°C的高温环境。
Bathyachaeota。海洋沉积物中含有相当多的未培养的古菌。MCG在近岸和海洋海底环境中的古菌中占据主导，这个群体中的一些成员可能能够进行光驱动的新陈代谢，后被命名为Bathyachaeota，在缺氧海洋、缺氧淡水和高温热泉地区无处不在，数量丰富，种类繁多。由于它们在数量上通常在古菌中占主导地位，因此和Thaumarchaeota一样，是地球上最丰富的古菌之一。根据从深部陆地煤层中发现的基因组，它们参与了蛋白质和纤维素的降解以及二氧化碳的固定。海洋沉积物中MCG的脂质分析支持它们固定二氧化碳的能力。此外，一些谱系包含产甲烷途径以及在系统发育上截然不同的MCR基因。
3 不断扩展的生命之树
使用宏基因组技术重建来自厌氧消化器和陆地深处煤层中未培养的TMCG。这些基因组被称为Ca. Methanomethylicus spp.，表明它们是一个独特的门，名为Verstraetearchaeota。甲基甲烷具有参与甲基营养型甲烷生产的途径，为古菌碳氢化合物循环的能力存在于Euryarchaeota之外提供了证据。从黄石国家公园温泉中富集的Korarchaeum cryptofilum，实现该谱系第一个成员的基因组重建。最近通过宏基因组分析表明深海热液沉积物中同样存在该谱系，而且，基因组中包含mcr基因，被认为参与了甲烷和硫酸盐的循环。另一个新门是Aigarchaeota， Caldiarchaeum subterraneum是第一个重建的基因组，主要与有氧热泉微生物群落有关，它们可能能够利用一系列的细胞外聚合物，因此在有机碳循环中很重要。
4 Asgard superphylum
在世界各地的海洋沉积物多样性调查中发现的另一个广泛的古菌群是深海古菌群(DSAG)，也被称为MBG-B。这一谱系的第一个基因组是从北大西洋洛基堡热液喷口附近的沉积物中获得的，随后被命名为Lokiarchaeota，它与真核生物是单系进化的，这意味着它们在系统发生树上有亲缘关系，而且这些古菌群和真核生物拥有共同的祖先。并且包含多种编码基因，与真核细胞肌动蛋白同源的蛋白质，运输所需的内体分选复合物，以及泛素修饰系统。因此，推测Lokiarchaeota可能是产生真核生物的古菌祖先的后代。
展望
第一批鉴定出的古菌是产甲烷菌或来自高温环境。因此，我们对古菌代谢作用的了解仅限于甲烷的产生和硫的呼吸。此外，古菌的基因组分析仅限于在Euryarchaeota和Crenarchaeota。虽则技术进步和长期的富集研究揭示了未培养生物的功能潜力，挑战了我们关于哪些类群具有特定功能以及特定基因组与功能之间联系的认知。最近提出了一种将系统基因组学与分类学定量合并的方法，称为基因组分类数据库(GTDB)，允许将新的基因组放置到分类结构中。这是基于新基因组与其近亲之间的数十个相对进化距离，从而提供了统一分类学等级的可能性。尽管GTDB已被采用到常用的分类数据库中，但在获得更深层次的基因组样本之前，古菌门的位置应该被视为是初步的。目前古菌基因组采样的局限，意味着，随着未来更大的采样及数据挖掘，目前的分类学分配可能会发生重大变化。
尽管过去十年见证了古菌多样性的大幅扩大，但仍然需要对自然界中的古菌进行更广泛的基因组探索。此外，目前已通过基因组鉴定了8个仅以rRNA序列为特征的门。由于PCR引物没有针对它们，这些门中的一些没有被检测到，而另一些已经被获得，但几乎没有代表性，因此没有被给予系统发育名称。这表明核糖体多样性调查忽略了或没有描述自然界中存在的大量生物多样性。近年来，从整个群落中重建基因组(Binning)显著加快了来自未培养谱系的可用基因组的数量(图4)。这将促进我们对古菌生物学的理解，可能为古菌进化提供新的见解。
近年来，许多研究表明，在属于新谱系的基因组中发现了关键生态过程的途径(图3)。通路的存在并不总是等同于活性，因此很难准确地将功能分配给新基因。因此，需要更多的研究来提供原位生理研究，包括将在大样本中测量的功能与在基因组重建中发现的功能联系起来。目前包括稳定性同位素标记技术(DNA-SIP)、转录组学、代谢组学和代谢蛋白质组学分析，可以为基因信息预测的功能提供强有力的支持。另一种新技术类似于显微放射自显影技术，称为生物正交非规范氨基酸标记(BONCAT)，它可以通过跟踪合成氨基酸在新合成的蛋白质中的掺入来揭示活跃的细胞。由于活性细胞是荧光的，因此可以将显微镜与rRNA靶向荧光原位杂交(FISH)或通过荧光激活细胞分选(BONCAT-FACS)物理分选细胞相结合。这种方法提供了一种潜在的高通量技术来确定表型(生长特征和底物使用)，并将其与群落水平的基因型联系起来。
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