水平基因转移与基因丢失驱动微古菌门宿主依赖性的分化进化

《National Science Review》：Horizontal gene transfer and gene loss drove the divergent evolution of host dependency in Micrarchaeota

　　本研究针对DPANN超门中宿主依赖性的进化机制这一关键科学问题，通过宏基因组学方法重建了163个Micrarchaeota基因组，发现Norongarragalinales等类群通过水平基因转移(HGT)获得了糖酵解、核苷酸/氨基酸/辅因子从头合成等代谢通路（统称为pFLAGs），而Redboyarchaeum等类群则因热适应经历了基因丢失导致的基因组简化。研究揭示了宿主依赖性并非进化终点，可通过HGT获得代谢能力而逆转，为理解微生物共生关系的进化提供了新视角。

　　

在微生物世界的深处，存在着一类被称为DPANN超门的特殊古菌。它们以其微小的细胞和极简的基因组而闻名，大多数成员被认为是必须依赖宿主生存的共生体。然而，近年来的一些研究发现，某些DPANN类群却拥有相对完整的代谢通路，这不禁让科学家们思考：这些古菌的共生生活方式究竟是祖先特征，还是基因组简化演化的结果？为了解答这个进化谜题，研究人员将目光投向了DPANN超门中的重要成员——微古菌门(Micrarchaeota)。

微古菌门作为最早被发现的DPANN类群之一，栖息范围从地热泉到酸性环境，其潜在的宿主包括热原体目(Thermoplasmatales)和硫化叶菌目(Sulfolobales)。然而，由于该类微生物难以培养，科学家对其代谢多样性和进化历史的了解仍然有限。发表在《National Science Review》上的这项研究，通过大规模的宏基因组分析，揭示了微古菌门内不同类群在宿主依赖性方面经历了截然不同的进化路径。

为了深入探究微古菌门的进化历史，研究团队从云南和西藏的160个地热泉样本中重建了163个高质量的微古菌门宏基因组组装基因组(MAGs)。这些样本采集于2016年1月至2021年1月期间，覆盖59个不同的采样点，代表了多样化的地热环境条件。研究人员运用了包括SPAdes在内的多种组装工具，结合CONCOCT、MaxBin2和MetaBAT等分箱算法，获得了完整度高、污染率低的基因组。通过GTDB-tk进行初步分类鉴定，并利用CheckM评估基因组质量，确保了后续分析的可靠性。

功能注释方面，研究团队使用Prodigal预测蛋白质编码序列，并通过KofamKOALA、arCOG数据库以及InterProScan等工具进行全方位功能注释，涵盖了KEGG通路、碳水化合物活性酶(CAZy)、氢酶、转运蛋白等多个方面。系统发育分析基于53个GTDB古菌保守标记基因，采用IQ-TREE构建最大似然树，并使用ALE(Amalgamated likelihood estimation)算法进行基因树-物种树 reconciliation分析，追溯基因家族的进化历史。

扩展微古菌门的基因组和系统发育多样性

研究人员成功重建的163个微古菌门MAGs被归类到三个已知目（Norongarragalinales、Anstonellales和Micrarchaeales）以及五个新描述的目（Tudiarchaeales、Zaosheniarchaeales、Wunengiarchaeales、Bailongiarchaeales和Wujingiarchaeales）。系统发育分析显示，微古菌门形成了两个主要分支，与之前的研究一致。特别值得注意的是，研究人员发现了一个新的超嗜热类群Redboyarchaeum，其基因组极度简化，大小仅为0.33-0.77 Mbp，是已知最小的古菌基因组之一。

不同微古菌门类群在基因组特征上表现出显著差异。Norongarragalinales、Wunengiarchaeales相关类群(WAL)和Anstonellales拥有相对较大的基因组（中位数分别为0.93、1.07和0.90 Mbp），而Micrarchaeales和Zaosheniarchaeales的基因组则较为简化。Redboyarchaeum不仅基因组小，还具有高编码密度（95.56%）和高比例的重叠基因（39%），这些都是基因组高度简化的典型特征。

环境分布分析显示，不同微古菌门类群对环境的适应具有特异性。Micrarchaeales和Zaosheniarchaeales在酸性热泉中相对丰富，而Redboyarchaeum则在超高温环境（≥80°C）中占主导地位。冗余分析证实pH值是影响微古菌门分布的最主要因素，总有机质、磷和温度也起着关键作用。

微古菌门的代谢潜力及通过推定自由生活相关基因(pFLAGs)降低宿主依赖性

功能分析揭示了微古菌门内代谢能力的显著差异。大多数类群缺乏完整的中心碳代谢途径和关键生物合成途径，符合DPANN古菌作为共生体的传统认知。然而，Norongarragalinales、WAL、Anstonellales和Micrarchaeales却拥有令人惊讶的完整代谢通路。

这些类群具有完整的糖酵解途径、核苷酸从头合成途径、甲羟戊酸(MVA)途径介导的 archaeal 膜脂合成能力，以及近乎完整的氨基酸和辅因子生物合成途径。研究人员将这些与自由生活相关的基因集合称为"推定自由生活相关基因(pFLAGs)"。

特别值得注意的是，Norongarragalinales拥有从乙酰辅酶A到archaeol（古菌膜脂基本构建单元）的完整生物合成途径。某些类群还编码了细菌特有的甲基赤藓醇磷酸(MEP)途径，这在古菌中极为罕见。这些发现表明，这些微古菌门类群可能具有独立于宿主生存的潜力。

驱动微古菌门获得pFLAGs的进化机制

为了探究这些代谢能力是祖先特征还是后天获得，研究人员重建了微古菌门的基因内容进化历史。系统发育分析强烈支持Altiarchaeota位于DPANN Cluster 1的基部，而不是作为所有其他DPANN类群的姐妹群。

基因树-物种树 reconciliation 分析显示，微古菌门的进化主要受水平基因转移(HGT)和基因丢失主导。自微古菌门最后共同祖先(MIA LCA)以来，共识别出95,634个进化事件，其中HGT占42.99%，基因丢失占54.77%。WAL的最后共同祖先(WAL LCA)等节点是基因流入的热点。

对pFLAGs进化历史的追踪表明，这些基因主要是通过HGT获得的，而不是祖先特征。糖酵解途径在MIA LCA时已有超过50%的完整性，但完整组装是在各主要类群分化后通过HGT完成的。古菌膜脂合成途径中的某些基因（如MVA途径相关基因）是垂直遗传的，但关键基因如araM（编码G1PDH）则经历了丢失和重新获得的过程。

核苷酸生物合成途径在MIA LCA时已有一定基础，但完整的能力是通过后续的HGT事件逐步获得的。氨基酸和辅因子生物合成途径在MIA LCA时高度不完整，在现代类群中的完整性主要是通过分化后的HGT获得的。

Redboyarchaeum的简化进化

Redboyarchaeum代表了微古菌门中基因组极度简化的极端案例。其基因组不仅小，而且具有高比例的与信息存储和处理相关的基因，表明基因组简化可能是由非必需功能基因的随机丢失引起的。

进化历史重建显示，Redboyarchaeum的最后共同祖先(RB LCA)经历了大量的基因丢失（224次），而基因增益事件很少。这种基因丢失的趋势在Anstonellales的最后共同祖先(AT LCA)之后持续存在。基因组大小与预测的最适生长温度(OGT)之间的负相关关系表明，热适应可能是驱动Redboyarchaeum基因组简化的主要因素。

氨基酸组成分析显示，Redboyarchaeum的蛋白质组富含与热稳定性相关的氨基酸（如Asp、Arg、Leu等），进一步支持了热适应在其进化中的重要作用。

研究结论与意义

这项研究揭示了微古菌门内宿主依赖性的分化进化是由水平基因转移和基因丢失共同驱动的。一方面，Norongarragalinales、WAL等类群通过HGT获得了丰富的代谢能力，可能实现了从共生体向更独立生活方式的转变；另一方面，Redboyarchaeum等类群则因热适应经历了基因组简化，成为更专性的共生体。

这一发现挑战了"宿主依赖性是不可逆的进化终点"的传统观点，表明微生物可以通过获得新基因来重获代谢独立性。研究还提示，温度在塑造微古菌门进化中起着重要作用，超嗜热类群往往具有更简化的基因组。

该研究通过整合宏基因组学、比较基因组学和进化生物学方法，为我们理解微生物共生关系的动态进化提供了新的视角。它不仅拓展了我们对DPANN古菌代谢多样性的认识，也为研究微生物如何通过基因获取和丢失来适应不同环境提供了重要案例。这些发现对理解生命早期进化、微生物相互作用以及极端环境适应性都具有重要意义。