喜訊連連！11月9日，Nature Reviews Microbiology在線發表了美格基因首席科學家束文圣教授、美格基因科學顧問黃立南教授的特邀綜述文章，我們將該論文簡單解讀如下，并附上論文全文，供同行參考、指正。關注美格基因公眾號，回復1111即可下載論文全文。
極端環境中的微生物多樣性
Microbial diversity in extreme environments
作者：Wen-Sheng Shu1,3 and Li-Nan Huang2,3
期刊：Nature Reviews Microbiology
時間：2021.11.9
影響因子：60.633
DOI：https://doi.org/10.1038/s41579-021-00648-y
文章摘要
在地球上，有大量全新和系統發育學上常見的微生物群落在極端環境中生存，這種獨特而復雜的生態系統為研究自然微生物群落的結構、功能和進化提供了良好的機會。標記基因研究已經廣泛用于研究極端環境微生物群落的生態驅動因素，揭示了大量未培養的微生物群落的多樣性，以及在此環境中古菌的優勢。而組學研究的新成果展示了微生物群落功能與環境變量之間的密切聯系，并可通過基因組表征來發現新的微生物譜系這將極大地擴大了所認知的微生物群落的多樣性并改變了系統發育的結構。這些研究極大地推動了我們對地球極端環境中微生物多樣性、生態學和進化學的理解，促進了對復雜生態系統中的微生物群落的探索。在本綜述中，將總結目前地球主要極端環境中細菌和古菌的多樣性、生態學和進化的知識。
主要內容
1. 微生物多樣性與主要微生物新譜系
在早期對美國黃石國家公園的陸地地熱泉等生物多樣性較低的極端環境的原核生物16S rRNA分析改變了過往對地球微生物多樣性的理解。隨后開展的廣泛性微生物基因組分析提供了更加全面的極端環境微生物群落組成和多樣性的展示。極端環境由于在全球上離散分布和相對受限的微生物群落結構，因此也特別適合微生物生物地理學研究。僅通過16SrRNA擴增子測序可研究極端微生物群落結構，而宏基因組和單細胞基因組可直接從環境樣本中獲得接近完整的微生物基因組，提高對其代謝功能和進化的見解?？偟膩碚f，對無法培養的微生物的基因組學的研究實質上拓展了生命發育樹的廣度和深度，特別是古菌領域。
圖1 全球的極端環境的分布
2.微生物群落功能與動態
大部分微生物無法培養分離限制了我們對微生物群落的功能在時間與空間上的變化研究。宏組學可直接從環境樣本中獲得微生物基因組、基因豐度和轉錄表達等信息，有助于了解微生物群落的功能意義?？偟膩碚f，極端環境樣本的多種組學數據揭示了極端環境微生物群落參與了能量守恒、碳固定和氮代謝等多方面。同時組學比較分析思路已經應用在探索不同時空尺度的功能變化動力學，可研究地理上獨立的微生物群落系統沿著特定環境梯度的變化，可分析群落與環境變量之間的關系，有助于解釋在微生物分布中觀察到的不同模式。
以AMD為例，組學研究記錄了AMD及其相關環境的微生物群落組成，如宏基因組和宏轉錄組揭示了與AMD中與地球化學密切相關的基因及其轉錄情況。里士滿礦區的AMD位點的嗜酸生物膜蛋白組研究發現豐度最高的細菌的蛋白質受群落組成變化影響最為明顯，而豐度較低的細菌的蛋白質表達受非生物因素影響更大。同時，對尾礦不同酸化階段和AMD生物膜生態演替階段的微生物群落進行了對比分析，證明了其群落功能與時間變化的密切關系。具體來說，早期和晚期的尾礦群落富含參與低pH和重金屬適應的基因，反映了不同的環境脅迫作用。
3.極端環境中的微生物進化
一直以來，科學家們都在解答微生物是如何適應極端和高度變化的環境，并且在此之中不斷進化。這個問題最初是通過模式生物的基因組和生理學研究解決的，如研究微生物基因組的序列和變化模式在自然環境中的存在意義。重組作為進化中非常重要的部分，在嗜鹽和嗜熱古菌被廣泛研究，已有研究表明在鹽桿菌屬中存在頻繁地重組，在富鹽菌屬中的不同細菌之間甚至發現了長染色體片段交換的高頻重組?；蛩睫D移（HGT）是原核生物基因中基因增加的主要來源，基因含量的變化被認為是微生物適應性進化的主要模式，這情況在嗜鹽細菌、古菌和硫化葉菌中尤為普遍。
目前已有將宏基因組應用在極端環境樣本中進行原位群體水平和全基因組異質性分析。群體基因組學分析表明，里士滿礦區AMD生物膜中的主要群體鉤端螺旋菌屬與其密切相關的微生物群體之間存在大規模的同源重組，且個體之間存在未被發現的病毒介導和質粒介導的基因含量高變異性。群落宏蛋白組進一步表明了雜交型基因的時空分布模式及其在生物膜不同階段的優勢變化，表明重組是導致微生物環境適應的重要因素。此外可通過極端環境的宏基因組分析野生種群的進化率，結果表明AMD生物膜中的自然鉤端螺旋菌屬的核苷酸替換率極高。
結論與亮點
未來值得重點關注的是：
（1）極端環境中生物暗物質的發掘，這將對生命之樹的構建及生命的起源與演化的研究具有重要意義；
（2）極端環境中的真核生物與病毒的結構與功能研究，尤其是它們與細菌、古菌相互作用的研究亟待加強；
（3）極端環境作為一種模式系統，也非常便利于微生物群落調控的研究。在努力加深對極端環境的微生物群落的認識過程中的突出問題是這些分析模式是否能應用在限制較少生態系統中，因為沒有一個分析模式可以捕捉到所有生態系統的所有特征，最近的研究發現簡化模式微生物模式可作為我們對復雜自然微生物群落認知的有效工具。在不斷對極端環境中微生物生態和進化的探索將有助于我們對更復雜的自然微生物群落和全球生態系統的理解。
您可能還喜歡：
