近日，南方科技大学海洋科学与工程系张传伦讲席教授团队联合国内外多个科研单位在海洋微生物领域取得重要进展，首次揭示了海洋异养浮游古菌MGII的热起源特征和可能的演化过程。相关研究成果以“A moderately thermophilic origin of a novel family of marine group II euryarchaeota from deep ocean”为题被国际期刊iScience（影响因子6.107）接收。

古菌是地球生物圈的重要组成部分，但是古菌的研究历史与真核生物和细菌相比还非常短暂。1977 年，Carl Woese 和George Fox基于16S rRNA基因序列分析首次提出 “古细菌”的概念。1990 年，Woese等正式将“古细菌”命名为古菌。当时人们对古菌的认识一直和极端环境联系起来，认为古菌只存在于高盐、高温或缺氧等极端环境中。1992 年，Fuhrman团队和DeLong团队分别发现海洋水体中存在两类新的古菌类群，它们与生存于极端环境中的古菌显著不同。同年，DeLong 正式提出海洋古菌I (MGI)和海洋古菌II(MGII)概念。MGI在2005年获得纯培养菌株后，关于它们的丰度分布、生理生态功能、起源和演化过程都有比较深入的认识。由于MGII难以培养，直到现在尚无纯培养菌株。借助于分子生物学、宏基因组学、生物信息学等方面的技术手段，关于MGII的分布、多样性、生态功能等方面的研究已经比较成熟。现在已知MGII是海洋中最丰富的异养型浮游古菌，对全球碳循环和气候变化具有重要作用。但是由于高质量基因组的匮乏，MGII的起源和演化研究一直没有取得突破性进展。

图1 MGII热起源和演化以及不同类群分布示意图

本研究对来自马里亚纳海沟“挑战者”深渊的不同深度的水体样本进行了宏基因组测序和生物信息学分析，初步揭示了MGII的热起源特征和潜在的进化过程。如图1所示，绿色、蓝色和红色的细胞分别代表MGII的三个类群MGIIa、MGIIb和MGIIc。它们在海水中的分布特点是：MGIIa主要分布在表层海水，MGIIb主要分布在次表层海水，MGIIc主要分布在深层海水。但是它们在海底火山的热液喷口附近的羽状流中都存在。这表明海底热液喷口有可能是MGII古菌的发源地。

人们已经熟知的DNA碱基互补配对原则中G和C配对，A和T配对。GC之间的氢键是三键，而AT之间的氢键是双键，因此要打断GC之间的氢键比打断AT之间的氢键需要更高的能量。这个原理表明，在DNA复制的过程中，GC含量越高，退火温度一般也就越高。基于16S rRNA基因的GC含量和最适生长温度（Optimal Growth Temperature, OGT）之间的线性回归分析，本研究推测出现在海洋中生存的MGIIc、MGIIb和MGIIa的OGTs分别为47-50 ℃、37-44 ℃和30-37 ℃（图2A）。基于16S rRNAstem序列的GC和OGTs之间的线性关系，论文作者推测出MGII共同祖先的OGT约为60 ℃，MGIIc、MGIIb和MGIIa的祖先的OGTs分别在57℃、49℃、46℃左右（图2B和2C）。从这个结果可以看出，MGII祖先的OGT比现存MGII的OGT要高，说明MGII的进化过程支持微生物从高温向低温适应的过程。进一步的酶活实验结果显示MGIIc基因组的β半乳糖苷酶的最佳酶活活性温度为50 ℃（图2D和2E），和根据GC含量推测的MGIIc的OGT结果一致。综合以上结果可知，海洋现存MGIIc的最适生长温度大约为50 ℃，它们祖先的最适生长温度大约为57 ℃。本研究推测MGIIc可能起源于一个共同的祖先，该祖先生活在温度较高的海洋环境中，如热液喷口。论文作者将MGIIc这个新类群命名为Candidatus Qianlongarchaea bathyliensis fam. sp. nov.（深渊潜龙海洋古菌）。

图2  MGIIc的热起源进化证据（A - C）和酶活实验证据（D & E）

刘浩东、刘伟伟、Jose M Haro-Moreno为论文共同第一作者，张传伦（南方科技大学）和Francisco Rodriguez-Valera（西班牙米格尔·埃尔南德斯·德埃尔切大学Universidad Miguel Hernández）为共同通讯作者。南科大海洋科学与工程系为论文第一单位。以上研究得到了国家自然科学基金水圈计划和深圳市海洋地球古菌组学重点实验室等国内国际多个项目的支持。

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.isci.2023.107664

供稿单位：海洋科学与工程系

通讯员：颜莎