甲烷是地球上重要能源物質(zhì)，具有極高的工業(yè)應(yīng)用價(jià)值，同時(shí)也是一種溫室氣體，對諸如碳素的生物地球化學(xué)循環(huán)和全球氣候變化有著深遠(yuǎn)影響。已有研究表明微生物介導(dǎo)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(guān)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(jìn)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(diǎn)最適生長溫度推測
近期，我校生命科學(xué)學(xué)院李文均教授課題組在國際知名學(xué)術(shù)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(xué)術(shù)論文。研究表明：滇藏?zé)崛鷳B(tài)系統(tǒng)中蘊(yùn)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(xué)測序技術(shù)和生物信息學(xué)手段從中重構(gòu)出14個(gè)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(dú)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(rèn)知的局限性，神秘的自然界或?qū)⑦h(yuǎn)遠(yuǎn)超出我們的認(rèn)知。此外，組學(xué)技術(shù)的發(fā)展或?qū)⒅敢覀儗ζ溥M(jìn)化歷史進(jìn)行更全面的認(rèn)知。課題組對這些未知生命的代謝特征進(jìn)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(jìn)化基因組分析，課題組還對古菌祖先的進(jìn)化起源進(jìn)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(guān)鍵基因mcrABG相對較為保守，并無明顯的水平基因轉(zhuǎn)移時(shí)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(yuǎn)影響。基于甲烷代謝基因的保守性，課題組對其祖先序列進(jìn)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(biāo)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(yīng)微生物相比其它同支系微生物有著更為悠久的進(jìn)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(xué)學(xué)院博士后花正雙、香港大學(xué)土木工程學(xué)院博士后王玉林和澳大利亞昆士蘭大學(xué)化學(xué)與分子生物科學(xué)學(xué)院Paul N Evans為共同第一作者，我校生命科學(xué)學(xué)院李文均教授、香港大學(xué)土木工程學(xué)院張彤教授和澳大利亞昆士蘭大學(xué)化學(xué)與分子生物科學(xué)學(xué)院Gene W Tyson教授為并列通訊作者，中山大學(xué)為第一通訊單位。該研究工作得到了國家科技部科技基礎(chǔ)資源調(diào)查專項(xiàng)、國家自然科學(xué)基金“水圈微生物驅(qū)動(dòng)地球元素循環(huán)的機(jī)制”重大研究計(jì)劃重點(diǎn)項(xiàng)目、中國博士后科學(xué)基金、廣東省自然科學(xué)基金研究團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目、廣州市民生科技規(guī)劃項(xiàng)目的支持。
