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        合作文章COOPERATION ARTICLE

        顧問文章|熱烈祝賀李文均教授課題組的研究成果榮登ISME!

        來源:admin    發布時間:2021-05-06   閱讀數:277

        3月以來,美格基因科學顧問、中山大學生命科學學院李文均教授課題組在高水平期刊連發3篇SCI科研論文,繼研究成果分別在National Science Review和Nature Communications上發表后,近日課題組在環境生態學領域頂級期刊The ISME Journal上發表又一力作!該文章首次描述了三個同型產乙酸的放線菌新綱,并提出了放線菌在細菌CODH/ACS進化歷史中的重要地位。


        焦建宇博士為文章第一作者,李文均教授和承磊研究員為文章共同通訊作者,美格基因有幸負責本研究的部分基因測序工作。以下是該文章主要研究成果的精彩解讀,熱烈祝賀李文均教授及其課題組!


        Insight into the function and evolution of Wood-Ljungdahl pathway in Actinobacteria

        放線菌Wood-Ljungdahl通路的功能與進化


        作者: Jian-Yu Jiao (焦建宇),  Li Fu (符力),  Zheng-Shuang Hua (花正雙),  Lan Liu (劉蘭),  Nimaichand Salam, Peng-Fei Liu (劉鵬飛),  Ai-Ping Lv (呂愛萍),  Geng Wu (吳耿),  Wen-Dong Xian (鮮文東), Qiyun Zhu (諸奇赟), En-Min Zhou (周恩民), Bao-Zhu Fang (房保柱),  Aharon Oren,  Brian P. Hedlund, Hong-Chen Jiang (蔣宏忱),  Rob Knight, Lei Cheng (承磊)* and Wen-Jun Li (李文均)* 

        期刊:The ISME Journal

        在線時間:2021.5.5

        影響因子:9.18


        文章簡介

        化能自養型微生物的碳固定在將無機物轉化為有機物的過程中起到重要作用。Wood-Ljungdahl pathway (WLP) 作為一種古老的碳固定通路,最近有研究其相關基因在人們通常認為化能異養的放線菌類群中發現,這無疑有可能拓展已知的自養微生物類群的多樣性。然而由于功能基因調查的不完整,以及缺乏實際的生理實驗證據,沒有明顯證據表明放線菌可以通過WLP進行碳固定;因此放線菌WLP的功能仍然未知,且具有WLP的放線菌物種多樣性、進化歷史以及生態功能仍然充斥著神秘色彩。

        本文使用宏基因組分箱的方法,結合公共數據庫,獲得了42個放線菌的Metagenome-Assembled Genomes (MAGs),屬于三個放線菌新綱:Ca. Geothermincolia, Ca. Humimicrobiia 和 Ca. Aquicultoria。功能分析表明,這三個新綱的絕大多數MAGs都存在WLP相關的基因、氫化酶基因,以及產乙酸相關基因,因此可能屬于同型產乙酸功能類群。進化分析表明,三個新綱的氫化酶具有不同的進化歷史,而一氧化碳脫氫酶/乙酰輔酶A合成酶復合酶(CODH/ACS)相關基因來源于三個綱的共同祖先,并有明顯的垂直傳遞現象。此外,研究表明放線菌可能通過多個水平基因轉移事件,將CODH/ACS基因轉移給Nitrospirae、Deltaproteobacteria (Desulfobacterota)和Thermodesulfobacteria的多個類群。最后,富集實驗獲得了氫氣依賴的產乙酸富集培養物,且Ca. Geothermincolia皆有明顯的生長,這與作者提出的放線菌可能具有同型產乙酸代謝推測是一致的。

        本文首次提出三個放線菌新綱普遍具有WLP;通過比較基因組和富集實驗,首次提出此三個新綱可能為同型產乙酸類群;此外,該研究工作通過氫化酶和CODH/ACS相關基因的進化分析,首次探究了放線菌氫依賴的WLP固碳方式的進化歷史;同時,該研究也是首次對熱泉生境中WLP放線菌進行富集,且對其生態功能開展的探索工作。


        主要內容

        1.三個放線菌新綱的鑒定

        通過對熱泉沉積物樣品宏基因組分箱,并結合公共數據庫,該研究共獲得42個與WLP有關的MAGs,其中大部分(40/42)都含有WLP相關基因。系統發育分析顯示,這42個基因組屬于區別于已知的六個放線菌綱的三個新類群(圖1)。這三個類群被GTDB指定為三個未描述的綱,本文結合系統發育分析和基因組比較分析,最終將這三個新類群鑒定為三個新綱,并分別命名為:Ca. Geothermincolia, Ca. Humimicrobiia 和 Ca. Aquicultoria。


        放線菌系統進化樹
        圖1.放線菌系統進化樹


        2.Ca. Geothermincolia, Ca. Humimicrobiia 和 Ca. Aquicultoria的代謝潛能

        對35個高質量MAGs(完整度≥75%,污染度≤5%)進行功能預測,在碳代謝通路中,幾乎所有的基因組有完整的糖酵解、戊糖磷酸途徑和氨基酸生物合成途徑?;蜃⑨尳Y果顯示,部分MAGs中具有檸檬酸合酶,但未能注釋到完整的三羧酸循環,同時考慮到細胞色素氧化酶的普遍缺失,推測這三個綱的物種可能是嚴格厭氧微生物。盡管RuBisCO-like大亞基存在于部分MAGs中,但由于RuBisCO小亞基和磷酸核酮糖激酶的缺失,使得CBB循環的功能不太可能實現。功能聚類分析表明三個綱的整體功能差別明顯,但是值得注意的是,三個新綱都具有WLP相關基因、氫化酶和產乙酸相關基因,這表明這三個類群的成員都可能是產乙酸細菌,且這種依賴于氫氣的二氧化碳還原產乙酸過程,是目前放線菌類群未知的特性。


        代謝通路如下圖所示:


        代謝通路圖
        圖2. Ca. Geothermincolia, Ca. Humimicrobiia 和 Ca. Aquicultoria的代謝通路圖


        文章發現,已知的放線菌6個綱中,所有的可培養放線菌都不含WLP相關的基因。但是在這3個新綱中的,WLP相關基因廣泛存在。為研究CODH/ACS復合體在放線菌類群中的進化關系,作者構建了多個CODH/ACS相關蛋白的系統進化樹:


        CODH/ACS 系統進化樹
        圖3.CODH/ACS 系統進化樹


        基于CODH/ACS復合體系統進化樹與前人研究結果相類似:細菌的CODH/ACS復合體聚為 “Terrabacteria” 和 “Gracilicutes”兩支。值得注意的是,放線菌作為新成員的加入,表明其存在于 “Gracilicutes”分支,且CODH/ACS在Terrabacteria 類和Grracilicutes 類之間存在復雜的進化史。


        3.氫氣依賴的Wood-Ljungdahl 固碳通路

        幾乎所有的MAGs都預測到編碼氫化酶的基因,且部分基因與WLP基因在基因組上位置十分接近,表明氫代謝對于放線菌的WLP功能的行使十分必要。在Ca. Geothermincolia、Ca. Humimicrobiia和Ca. Aquicultoria 中,鎳鐵氫化酶(NiFe hygrogenases)可能偶聯氫氧化和鐵氧化還原蛋白的還原。有研究表明還原型鐵氧還蛋白能夠提供將CO2還原為CO的電子,作者發現編碼鐵氧還原蛋白的基因在基因組位置上與WLP基因簇十分接近。因此,氫依賴的還原型鐵氧還蛋白最可能是這類細菌的WLP的電子供體。根據基因位置信息,Ca. Geothermincolia 的二氧化碳還原為甲酸可能是與氫氧化偶聯的。雖然放線菌中的WLP相關酶與產同型乙酸細菌的酶有所差異,但其利用氫氣與二氧化碳合成乙酸的基本過程與同型產乙酸細菌一致。具體碳固定過程如下圖所示:


        產乙酸過程示意圖
        圖4.產乙酸過程示意圖


        由于CODH/ACS在放線菌門中普遍缺失,Ca. Geothermincolia、Ca. Humimicrobiia 和Ca. Aquicultoria的WLP相關基因在基因組位置上十分保守,且系統進化樹中屬于獨立的分支,因此作者推測WLP存在于這3個綱分化之前的放線菌祖先中。氫化酶代謝和系統發育分析表明,這三個綱使用了十分不同的氫化酶進行H2氧化,且由于放線菌的共同祖先不編碼類似的氫氧化蛋白,據此推測他們的共同祖先無法通過氫依賴的WLP進行碳固定。但由于同型產乙酸相關基因的實際證據,文章提出假設,Ca. Geothermincolia、Ca. Humimicrobiia, 和Ca. Aquicultoria這三個厭氧放線菌綱是有別于已知的好氧放線菌類群,能夠以同型產乙酸作為主要的生活方式的三個厭氧類群。

        下圖為CODH/ACS與氫化酶在放線菌中的進化歷史:


        CODH/ACS與氫化酶在放線菌中的進化歷史
        圖5. CODH/ACS與氫化酶在放線菌中的進化歷史


        4.富集產乙酸型放線菌

        富集培養實驗發現,通過不同的培養處理(圖6.a), 在有H2和CO2的體系中,隨著時間的流逝,H2和CO2的濃度持續下降,且在產甲烷抑制劑存在的情況下,有明顯的乙酸積累,因此進一步驗證了體系中存在同型產乙酸過程的存在。在特異引物PCR和16S rRNA 基因擴增子測序中,發現經H2和CO2的處理的實驗組存在目標放線菌類群,且目標放線菌類群相對豐度有顯著提升。

        在宏基因組測序數據顯示,目標放線菌的可能是體系中產乙酸的重要類群, 其中Ca. Geothermincolia在H2和CO2的處理的實驗組相較于其它處理,相對豐度明顯提高。近期研究結果表明,放線菌類群可以通過acdAB和acs基因進行產乙酸功能,同時也表明放線菌潛在的產乙酸過程。上述實驗為作者提出的厭氧放線菌具有WLP并進行同型產乙酸提供了證據支撐。下圖為富集產乙酸放線菌的實驗設計與相對豐度:


        產乙酸放線菌的富集實驗結果
        圖6. 產乙酸放線菌的富集實驗結果


        5.G55H和G55HB處理的代謝重建

        基于G55H和G55HB的105個代表MAGs。文章描述了不同類群可能存在的代謝類型,提出,在富集體系中H2和CO2的添加為氫依賴的化能無機自養微生物提供了理想的環境。在這樣的環境中,擁有WLP和厭氧有機質發酵的微生物得以生存,通過利用H2產生乙酸。在富集體系中,目標放線菌類群平均相對豐度和iRep值均較高,因此可能是重要的同型產乙酸功能類群。該研究的富集體系為氫依賴的化能自養微生物類群提供了理想的棲息環境,同時表明同型產乙酸微生物很可能在支持陸地熱泉環境中的嗜熱生態系統物質能量循環中發揮重要作用。


        G55H和G55HB實驗組的代謝通路重建
        圖7. G55H和G55HB實驗組的代謝通路重建


        總  結

        綜上所述,這篇文章首次描述了三個同型產乙酸的放線菌新綱,并提出了放線菌在細菌CODH/ACS進化歷史中的重要地位。這三種放線菌新綱通過獨立進化的方式獲得不同的氫化酶和能量保存方式,結果表明氫依賴的WLP二氧化碳固定功能發生在三個綱分化后。在55攝氏度下,對 Ca. Geothermincolia的富集也證明了同型產乙酸過程在放線菌中的可能性,并表明同型產乙酸過程可能是熱泉中的基礎代謝過程。這項工作拓展了放線菌門的多樣性和生物學功能。


        原文鏈接:https://www.nature.com/articles/s41396-021-00935-9



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