45億年的地球演化,產生了酸性土壤、海斗深淵等截然不同的極端環境和宜居生境,但微生物如何適應環境脅迫并實現全球擴散,一直是研究的熱點和難點。最近,我室賈仲君團隊經過8年努力,聯合國內外同行,發現能量中心ATPase基因水平轉移是古菌AOA適應酸性脅迫和深海高壓的遺傳新機制,研究成果最近在國際著名期刊The ISME Journal上發表。

據估算,全球30%以上的陸地表層土壤偏酸性(pH<5.5),但古菌AOA的嗜酸機制一直是研究難點。主要原因是:(1)土壤形成需要至少上萬年,地質時間尺度下的嗜酸古菌AOA發育不可重復、無法模擬、很難驗證;(2)古菌AOA生長緩慢,很難用傳統培養方法研究。針對這些難點,賈仲君研究團隊開發了系統發育宏基因組技術,突破了古菌AOA氨單加氧酶的傳統研究思維,聚焦于普適性的能量貨幣ATP合成基因;構建了古菌的地質歷史系統發育圖譜,提出了V-型ATPase基因水平轉移的古菌嗜酸耐壓新機制。首先,利用高度靈敏的13C和15N同位素示蹤技術,克服了古菌難培養的難題,在復雜土壤中清楚表征了古菌AOA的嗜酸生長特點,獲得了高度富集的AOA古菌13C-DNA;通過整合PacBio單分子長片段和illumina高通量測序優勢,重構了三個不同生態型的酸性土壤古菌AOA基因組MAG;進一步利用系統發育組學技術,結合蛋白結構的計算模擬,發現所有酸性土壤AOA僅含V-型ATPase基因簇,而所有中性和堿性土壤AOA僅含A-型ATPase。在此基礎上完成了遺傳功能的異源驗證,發現導入V-型atp 操縱子(8623bp)后,大腸桿菌(E. coli)能夠更好適應酸性脅迫生長。這些結果清楚說明,V-型ATPase是古菌AOA適應酸性脅迫的關鍵模塊。

同時發現,所有淺海AOA僅含A-型ATPase,而深海AOA均含V-型ATPase,純培養研究則表明A-型ATPase不具有耐壓功能;進一步分析四個超級門208個古菌物種分布的基因組規律(TACK、DPANN、Asgard和Euryarchaeota),發現系統發育單支源底部的Thermoplasmatales 廣古菌ATPase基因簇兩側含有橫向基因側移的特征轉移酶和內切酶,在大約7~11億年前,極可能將V-型ATPase基因水平轉移至古菌AOA,導致其獲得耐高壓的生理功能。此外,也發現V型ATPase可能是古菌嗜鹽厭氧的重要基礎,為重構古菌生理的地球演化歷史提供了新思路。

這一發現為地質時間尺度下古菌AOA的全球分布及擴散提供了遺傳代謝新機制。中性土壤中的古菌AOA,通過基因水平轉移獲得V型ATPase即可成功定居于酸性環境,而淺海AOA則獲得耐高壓能力并棲息于海斗深淵。研究工作得到編輯的好評,應邀撰寫了behind the paper亮點并發表在Nature research微生物專欄。

該工作與4個國家15個科研機構的同行合作完成,特別得到了中科院微生物研究所黃力研究員、南京農業大學閆新教授、深圳大學高等研究院李猛教授、美國華盛頓大學David Stahl教授和維也納大學Michael Wagner教授團隊等相關領域專家,以及PacBio單分子測序公司和美吉生物公司的支持。南京土壤所王保戰博士、華盛頓大學秦瑋博士、美吉生物任一博士為論文第一作者,賈仲君研究員為通訊作者。研究工作得到了中國國家基金委面上項目、水圈重點項目、中科院青促會和先導專項B以及美國國家基金委和能源部等機構的資助。https://www.nature.com/articles/s41396-019-0493-x

圖1. 土壤和海洋古菌AOA及四個超級門嗜酸耐壓環境適應機制及其地球進化示意圖

圖2. 土壤和海洋古菌AOA的物種系統進化關系及其與ATPase基因的關聯分析