甲烷是地球上重要能源物質(zhì)，具有極高的工業(yè)應用價值，同時也是一種溫室氣體，對諸如碳素的生物地球化學循環(huán)和全球氣候變化有著深遠影響。已有研究表明微生物介導的產(chǎn)甲烷作用主要由廣古菌門(Euryarchaeota)中少量支系完成，近期研究卻發(fā)現(xiàn)除傳統(tǒng)的廣古菌門外，其它古菌門中，如深古菌門(Bathyarchaeota)、韋斯特古菌門(Verstraetearchaeota)等也發(fā)現(xiàn)相關微生物具有甲烷代謝能力。即便如此，人們對未知甲烷代謝古菌的探索仍少之又少，其生態(tài)功能以及進化起源也尚未可知。
圖1. 具有甲烷/烷烴代謝能力的微生物
圖2.甲烷/烷烴代謝菌的代謝通路圖
圖3.甲烷/烷烴代謝菌祖先節(jié)點最適生長溫度推測
近期，我校生命科學學院李文均教授課題組在國際知名學術期刊Nature Communications發(fā)表題為“Insights into ecological roles and evolution of methyl coenzyme M reductase containing hot spring Archaea”的學術論文。研究表明：滇藏熱泉生態(tài)系統(tǒng)中蘊含著豐富的微生物資源，包含大量的系統(tǒng)發(fā)育位置未知且功能奇特的神秘、新穎的微生物類群。課題組結(jié)合宏基因組學測序技術和生物信息學手段從中重構(gòu)出14個具有甲烷/烷烴代謝能力的微生物基因組（圖1），其系統(tǒng)發(fā)育多樣性極高且獨特，廣泛分布于韋斯特古菌門、哪吒古菌門(Nezharchaeota)等TACK超級門中。值得一提的是，該課題組首次于奇古菌門(Thaumarchaeota)中發(fā)現(xiàn)其具有產(chǎn)甲烷功能。此前，奇古菌門以其好氧氨氧化能力而為眾人所熟知，而課題組首次對其厭氧狀態(tài)下產(chǎn)甲烷能力的發(fā)現(xiàn)表明我們目前對此門認知的局限性，神秘的自然界或?qū)⑦h遠超出我們的認知。此外，組學技術的發(fā)展或?qū)⒅敢覀儗ζ溥M化歷史進行更全面的認知。課題組對這些未知生命的代謝特征進行了揭示，并發(fā)現(xiàn)除卻傳統(tǒng)的氫營養(yǎng)型產(chǎn)甲烷菌外，還有多種氫依賴的甲基營養(yǎng)性產(chǎn)甲烷菌，他們可吸收熱泉生態(tài)系統(tǒng)中多種甲基底物以完成甲烷的產(chǎn)生（圖2）。通過進化基因組分析，課題組還對古菌祖先的進化起源進行了推測，研究發(fā)現(xiàn)對于具有產(chǎn)甲烷能力的微生物類群，其甲烷代謝關鍵基因mcrABG相對較為保守，并無明顯的水平基因轉(zhuǎn)移時間發(fā)生；而對于烷烴氧化的微生物類群，水平基因轉(zhuǎn)移對其多樣性塑造有著深遠影響。基于甲烷代謝基因的保守性，課題組對其祖先序列進行了序列重構(gòu)，從而來推測祖先序列的最適生長溫度，結(jié)果表明具有mcrABG標記基因的微生物類群或起源于高溫生境（圖3）。另外，由于 TACK和ASGARD超級門中，以及廣古菌門中大部分支系均具有甲烷/烷烴代謝能力，且相應微生物相比其它同支系微生物有著更為悠久的進化歷史（圖1），因此，課題組猜測地球早期生命中，古菌的祖先或具有甲烷和烷烴代謝能力。
我校生命科學學院博士后花正雙、香港大學土木工程學院博士后王玉林和澳大利亞昆士蘭大學化學與分子生物科學學院Paul N Evans為共同第一作者，我校生命科學學院李文均教授、香港大學土木工程學院張彤教授和澳大利亞昆士蘭大學化學與分子生物科學學院Gene W Tyson教授為并列通訊作者，中山大學為第一通訊單位。該研究工作得到了國家科技部科技基礎資源調(diào)查專項、國家自然科學基金“水圈微生物驅(qū)動地球元素循環(huán)的機制”重大研究計劃重點項目、中國博士后科學基金、廣東省自然科學基金研究團隊項目、廣州市民生科技規(guī)劃項目的支持。
