甲烷是比二氧化碳強(qiáng)20倍的溫室氣體。數(shù)十億年前，產(chǎn)甲烷古菌在確定地球大氣成分和調(diào)節(jié)全球生命氣候方面發(fā)揮了關(guān)鍵作用。對(duì)于法國(guó)巴斯德研究所的Guillaume Borrel和Simonetta Gribaldo來(lái)說(shuō)，甲烷生成的重要性以及產(chǎn)甲烷菌在幾乎所有類型的厭氧環(huán)境中的存在都表明甲烷代謝的多樣性“被大大低估了”。在2019年3月4日，發(fā)行了自然微生物學(xué)他們開(kāi)采了由美國(guó)能源部(DOE)聯(lián)合基因組研究所(JGI)(美國(guó)能源部科學(xué)用戶設(shè)施辦公室)維護(hù)的JGI綜合微生物基因組和微生物組(IMG / M)數(shù)據(jù)庫(kù)，用于公眾提供的宏基因組數(shù)據(jù)。研究共同作者，并從這10個(gè)宏基因組裝配的基因組(MAG)重建，代表新的潛在的產(chǎn)甲烷，厭氧甲烷氧化和短鏈烷烴氧化古菌。他們使用IMG是因?yàn)閿?shù)據(jù)庫(kù)已經(jīng)包含來(lái)自各種環(huán)境的宏基因組數(shù)據(jù)集，以及用于分析的工具。

“有證據(jù)表明產(chǎn)甲烷是最古老的新陳代謝之一，第一次痕跡可能在~3.5Gy(十億年)，”Borrel和Gribaldo在一封電子郵件中說(shuō)。“因此，確定它出現(xiàn)在哪種形式以及它如何產(chǎn)生我們今天看到的不同途徑不僅對(duì)于理解早期生活很重要，而且還將這種新陳代謝的演變與地球化學(xué)數(shù)據(jù)聯(lián)系起來(lái)，這反過(guò)來(lái)有助于理解它對(duì)地球歷史上的氣候影響。“

不同甲烷代謝的標(biāo)記基因

在該研究中重建的10個(gè)MAG中，5個(gè)來(lái)自欠采樣或以前未描述的譜系，而另外5個(gè)僅與已知的產(chǎn)甲烷菌有很大關(guān)系。在這些信息的幫助下，研究人員發(fā)現(xiàn)了甲烷生成，甲烷營(yíng)養(yǎng)和短鏈烷烴氧化代謝之間的進(jìn)化關(guān)系。他們還鑒定了一組38個(gè)標(biāo)記基因，它們作為古細(xì)菌中存在的一組核心基因，其代謝涉及甲基輔酶M還原酶(MCR)，甲烷生成的最后一步，或可能參與短鏈的MCR樣復(fù)合物。烷烴氧化。

“我們提出了一種情況，其中產(chǎn)甲烷可能是古菌中最古老的能量代謝，并且在古菌進(jìn)化過(guò)程中獨(dú)立地丟失了很多次，或者演變?yōu)榧淄檠趸投替溚闊N氧化，”Borrel和Gribaldo說(shuō)。“總體而言，這些結(jié)果顯示了一個(gè)驚人的案例，即如何通過(guò)修補(bǔ)一套常見(jiàn)的酶來(lái)代謝多樣性。”

Gribaldo將上說(shuō)“宏基因組數(shù)據(jù)的探索了解多樣性和甲烷代謝的演變”的NeLLi：四月生命研討會(huì)的新譜系，它立即之前能源與環(huán)境會(huì)議的JGI的第14屆年度基因組學(xué)。NeLLi研討會(huì)和JGI年會(huì)的注冊(cè)于2019年3月11日結(jié)束。

新型黃石古細(xì)菌屬于Korarchaeota

博士。Luke McKay和William Inskeep是Borrel等人的合著者。上述研究，并在同一期自然微生物學(xué)雜志上發(fā)表了另一項(xiàng)研究。他們的研究重點(diǎn)是在Korarchaeota內(nèi)發(fā)現(xiàn)新種群，其中一種包含硫和甲烷代謝的基因。

新描述的Korarchaeota在黃石國(guó)家公園Washburn溫泉的熱沉積物中被發(fā)現(xiàn)。這個(gè)大型地?zé)岢睾写罅康牧?，甲烷，二氧化碳和氫。蒙大拿州立大學(xué)的長(zhǎng)期JGI合作者Inskeep評(píng)論說(shuō)，“沃什伯恩溫泉是一個(gè)高度減少的，缺氧的系統(tǒng)，可能類似于早期地球上發(fā)現(xiàn)的環(huán)境。”

通過(guò)JGI社區(qū)科學(xué)計(jì)劃，Inskeep和McKay從Washburn溫泉采集的沉積物中回收了宏基因組裝配的基因組，并確定它們屬于Korarchaeota門。這一發(fā)現(xiàn)使已知數(shù)量的Korarchaeota基因組增加了三倍，這有助于研究人員將這一譜系定位于古菌域。Inskeep補(bǔ)充說(shuō)，這些信息也有助于尋找古菌和Eukarya之間的最后一個(gè)共同祖先。

一個(gè)基因組，兩個(gè)代謝途徑

“到目前為止，大多數(shù)系統(tǒng)發(fā)育樹(shù)只依賴于一個(gè)korarchaeotal代表，”第一作者M(jìn)cKay說(shuō)。“現(xiàn)在我們又增加了兩個(gè)：一個(gè)(Candidatus Korarchaeum cryptofilum WS)與已知的基因組相似，另一個(gè)(Ca.Methanodesulfokores washburnensis)與遠(yuǎn)距離相關(guān)，包含甲烷和硫代謝的基因。” 產(chǎn)甲烷和硫減少是最古老的能量保護(hù)機(jī)制之一，但直到現(xiàn)在才在單個(gè)微生物群體中觀察到這兩種途徑的基因。

約 M. washburnensis是在Washburn沉積物中檢測(cè)到的最豐富的種群之一，并且基于代謝重建，該團(tuán)隊(duì)有兩個(gè)主要假設(shè)：新型korarchaeon可以根據(jù)環(huán)境條件在產(chǎn)甲烷和亞硫酸鹽還原之間切換，或者它可以耦合兩種代謝通過(guò)使用亞硫酸鹽氧化甲烷和氫氣。McKay強(qiáng)調(diào)“后一種可能性將代表甲烷厭氧氧化的新途徑，甲烷是環(huán)境和進(jìn)化微生物學(xué)的重要課題。”

Inskeep將在即將到來(lái)的NeLLi研討會(huì)上展示海報(bào)，討論“黃石國(guó)家公園中主要的高溫古菌和細(xì)菌譜系的分布”，以及新描述的Korarchaeota成員的細(xì)節(jié)。