酸性矿山废水中典型嗜酸菌的代谢与进化
本周佳作推荐带来一篇mSystems上的研究。研究对矿山废水中典型嗜酸菌的代谢与进化进行了探究，结果显示分离的嗜酸菌主要通过基因水平转移（HTGs）和基因正向选择的机制共同对极端环境产生适应性。
Insights into the Metabolism and Evolution of the Genus Acidiphilium, a Typical Acidophile in Acid Mine Drainage
酸性矿山废水中典型嗜酸菌的代谢与进化
作者：Liangzhi Li 等
期刊：mSystems
时间：2020.11.17
IF：6.633
DOI：10.1128/mSystems.00867-20
一、研究背景
极端环境下的微生物往往是我们了解物种进化起源以及环境适应性的关键模型，给予了我们良好的思路和启发。AMD（酸性矿山废水）里广泛分布的嗜酸菌属（Acidiphilium）成员就是这样，它们能够在极低的pH下生存，忍受高浓度的金属离子、硫酸盐和渗透压。虽然有不少研究聚焦Acidiphilium作为燃料细胞和金属生物转移方面的潜能，但我们并不清楚它们在极端环境如何面对环境压力，又有着怎样的代谢潜能和发挥着哪些生态功能。
为此本文作者对AMD分离培养的三个Acidiphilium物种进行了全基因组测序，通过全基因组比较，核心基因进化分析、共线性分析以及代谢途径重构等分析详细阐释了这三个菌在进化过程中基因组是如何变化和适应环境变化的。结果显示分离的Acidiphilium物种主要通过基因水平转移（HTGs）和基因正向选择的机制共同对极端环境产生适应性。
二、实验方法
从云南蒙自和福建紫金山AMD中分离得到了三个Acidiphilium菌株AccI、AccII和ZJSH63，用Qiagen genomic DNA extraction kit提取DNA，质检后建库于PacBio Sequel平台进行测序，用SMRT Link进行序列矫正和基因组组装。
随后对组装的基因组做了ANI和全基因组比对分析。为了研究Acidiphilium属的进化关系，加入的其他Acidiphilium物种共12个基因组做了泛基因组分析和基因家族进化分析。此外也做了133基因的串联核心基因和16S rRNA基因的进化树以及基于RelTime方法的分化时间分析。对于基因组注释，运用了KEGG、COG数据库，用IMG系统鉴定了HTGs基因，用ISfinder预测了IS（插入序列）、转座子，IslandViewer进行了GIs预测，同时也做了前噬菌体的预测。
为了研究Acidiphilium和其他AMD微生物的关系，从SRA数据库下载了205个AMD样本的16S rRNA数据，通过QIIME分析得到OTU序列后用CoNet构建了共现性网络。最后用AccI作为anchor物种，PosiGene流程对涉及到的Acidiphilium检测了正向选择基因。
三、主要结果
三株Acidiphilium菌组装得到的基因组，平均大小为4Mb，尽管ACCI和ACCII都分离于蒙自，但ACCI和福建的ZJSH63有更多的相似基因，而ACCII拥有最多的独有基因，特别是COG L簇（复制、重组和修复）、COG N簇（细胞移动）的基因。Acidiphilium基于ANI相似度的分析发现以前基于16S rRNA基因的方法得到的进化关系并不是很准确，比如原本归为该属的Strain CAG727准确性并不高。之前已知的菌株和本次分离的菌株基因组的共线性分析发现，很多的基因组区间并不相同，分离的菌株包含了更多的假想蛋白和移动原件。
12个Acidiphilium比较基因组的分析显示core genome包含的基因家族数量只有pan genome的16.1%（1422 VS 8845）（图 1A）。数量巨大的pan genome意味着以前这些物种更加倾向于通过基因扩张的方式增加对应功能的能力被低估了。基于COG数据库的注释core genome里包含更多的是基础生物代谢的基因，而祖先基因里包含更多的是和极端环境相关的基因（图 1D）。
基因组的MGEs分析显示，基因组平均转座子的数量是307，AIU301最多有841个，ISAli7、ISGalb1、ISMex27、ISAan1和ISAcr4家族是最常见的。GIs的平均数量是527个，ZJSH63最多有1055个。原噬菌体则是23个，AccII最多有58个。三个菌的质粒共同拥有66个基因家族，存在确定的共线性关系，COG中关于修复、重组和修复的基因在质粒基因组中显著富集。同时在基因组中发现了Type I-C/E/V和II-C CRISPR-Cas系统，这些丰富的MGEs意味着HGT策略在菌对极端环境中的适应进化中起着非常重要的作用。
Acidiphilium基于有根树的进化分析显示，总体基因家族数量的扩张是基因丢失的3倍，而基因扩张是基因收缩的20倍，作者认基因的不断扩张在整个Acidiphilium的进化中都存在（图 1A）。通过基因组代谢途径的注释分析发现很多硫、氮和碳代谢途径的功能基因都是通过基因水平转移（HGT）获得的（图2和图3）。基于20个Acidiphilium基因组的正向选择分析（AccI为anchor genome）得到了15个正向选择基因。
四、结 论
极端酸性环境下的微生物是研究微生物适应性和进化的绝佳生物模型，本篇文章中作者基于基因组的比较和进化分析提供了在基因遗传层面Acidiphilium通过HGT的策略获得各种各样不同功能基因从而构建了自身丰富的生活史的构想和验证。通过基因的扩张获取，Acidiphilium极大的增加了遗传多样性，从而导致了更多的功能多样性。它们透过HGT获得了光合化、CO2同化、金属抗性、有机物代谢等能和共生自养生物互惠互利的功能，同时HGT的提供者在共线性network中和Acidiphilium的关系很紧密。正向选择的基因突变也是Acidiphilium进化的驱动力（图 4）。该篇文章为Acidiphilium的进化关系和生态角色做了关键性的研究，是极端微生物进化和适应性研究中的典型案例。