嗜热嗜酸菌的地球生物学反馈和进化

Geobiological feedbacks and the evolution of thermoacidophiles

全文链接：https://www.nature.com/articles/ismej2017162

DOI: https://doi.org/10.1038/ismej.2017.162

The ISME Journal [IF 9.5]

发表日期：2017-10-13

第一作者：Daniel R Colman¹

通讯作者：Eric S Boyd^*1,6 ; Email: : eboyd@montana.edu

其他作者：Saroj Poudel¹, Trinity L Hamilton², Jeff R Havig³
, Matthew J Selensky¹,Everett L Shock^4,5,6

主要单位：

¹ 美国，蒙大拿州波兹曼市，蒙大拿州立大学，微生物学与免疫学系（Department of Microbiology and Immunology, Montana State University, Bozeman, MT, USA）

写在前面

主编寄语：极端环境微生物历来受到相关领域科学家的重视，不仅因为这些微生物对极端环境出色的耐受能力，而且在工业和环境保护等领域可以运用的特异性功能。理解这些微生物群落结构的演化对于更好的把握极端环境微生物的结构和功能具有重要意义，本文通过对黄石国家公园的72个热泉的微生物群落的系统进化分析对我们研究极端环境微生物演化提供了很好的借鉴。

译者想说：生物造就环境还是环境造就生物，这是一个相互选择的过程，应该辩证地看待。

摘要

含硫化合物的好氧微生物氧化会导致天然水体的酸化。然而，嗜酸菌及其酸性生境究竟是如何进化的，目前尚不清楚。通过分析来自黄石国家公园的72个热泉的16S rRNA基因丰度和组成数据，作者发现，高酸性热泉生态系统以部分具有呼吸氧气能力的古菌谱系为优势菌群。对584个现有古菌基因组的系统发育学分析表明，嗜酸菌在古菌中独立演化了多次，每次事件都与呼吸氧气能力的出现相吻合，而这些事件很可能发生在最近的进化史中。比较基因组分析表明，来自独立谱系的古生嗜热嗜酸菌富含相似的蛋白质编码基因，与水平基因转移诱导的趋同进化相关。由于酸性环境的产生通常需要氧气，这些结果表明，嗜热古菌和其栖息地的酸化是在产氧光合作用的出现后共同进化的。此外，很可能直到约0.8 Ga，热泉水体中溶解的氧气浓度才可能达到能够维持需氧嗜热嗜酸菌酸化活性的水平（即达到现在的大气水平），这一时期与作者估算的古菌嗜热进化枝的分化时间相吻合。

背景

Introduction

高酸性环境广泛存在，通常与火山系统或硫化矿床有关，它也是经济上重要金属的主要来源，但也有可能对天然水体造成污染。这些环境刷新了地球上生命存在的最低pH极限，因此，微生物学家、地球化学家、地质学家和行星科学家对高酸性环境非常感兴趣，并进行了广泛的研究，以了解其形成的过程以及其中生命体生存的适应过程。对于微生物活性在高酸性水域形成中的作用科学家们已经进行了大量研究，然而，导致嗜酸菌进化的事件以及这些事件在酸性栖息地形成中的相互作用尚未得到充分的探索。

高酸性天然水体的形成涉及两个主要过程：岩浆脱气（Magmatic degassing）产生盐酸、氢氟酸和硫酸，以及硫化矿物氧化生成硫酸。两种方式的共同点是硫化合物包括游离硫化物、矿物硫化物或元素硫的氧化，以及随之产生的硫酸盐和质子。能够驱动硫化物氧化的高电位氧化剂包括硝酸根，三价铁离子和氧气。产生硝酸根的机制包括大气中二氧化氮的闪电催化氧化和以硝酸根形式沉淀的氮氧化物，但自3.8Ga以来这种过程的重要性一直在下降。同样三价铁离子的产生需要亚铁离子的氧化，亚铁离子的生物氧化需要氧化亚铁离子的光养生物以及氧气或硝酸根作为氧化剂。仅在温度<56°C（酸性环境中光合营养型菌的生长的温度上限）的环境中，光养生物才参与三价铁离子生成。因此，在光合作用受到温度限制的情况下，能够驱动硫化氢氧化和产生高酸性热泉生态系统最可能的氧化剂是大气中的氧气。在大约2.5Ga大氧化事件或几种生物氧化过程中的一种之后，在臭氧化气氛开始后，其重要性已微不足道。亚铁离子的生物氧化需要氧气或NO₃^-作为氧化剂或氧化亚铁离子的光养生物。仅在温度<56°C（酸性环境中光化营养菌的温度上限）的环境中，光化生物参与三价铁离子生成才具有重要意义。因此，在光合作用受到温度限制的情况下，能够驱动H₂S/SO₂氧化和产生高酸性热泉生态系统的最可能的氧化剂是大气氧气。

先前的研究表明，在pH<6的水溶液中，H₂S与SO₂的非生物氧化可能非常缓慢。此外，在pH升高的情况下，非生物硫化物的氧化更快，但速率仍比生物氧化慢几个数量级。此外，SO₂被氧气的非生物氧化速度非常慢。有证据表明，在酸性热泉中氧化H₂S和SO₂的好氧生物分布广泛，且几种硫氧化型的好氧嗜热嗜酸菌的生长会导致环境的酸化。这说明，硫氧化生物的存在是其环境酸化的主要原因。在这里，作者假设热泉生态系统中依赖于氧气的硫化合物的生物氧化取决于氧气的可用性，并且只有在氧气开始在大气中积累之后（〜0.8Ga）才会发生好氧生物硫氧化以及低pH热泉生态系统的广泛产生。作者进一步推测并假设，负责形成酸性热泉的微生物属于最近进化的谱系，这些谱系整合了有氧代谢以满足其嗜酸生活方式的能量需求。为了评估这些假设，作者在美国怀俄明州黄石国家公园测量了地球化学形式多样的热泉中的微生物群落丰度和组成，以确定在热酸性热泉中不同分类学谱系的丰度。然后，作者使用公开可获得的已实现培养或未培养的不同分类学单元的基因组进行了系统进化分析，研究了嗜热嗜酸菌的进化史。为了更好地理解导致的耐酸性的适应性增加的原因，作者使用比较基因组学来确定区别于其更高一级谱系其他成员新补充的蛋白。最后，作者在地质时间中大气氧气变化的背景下分析了这些结果，以评估以下假设：嗜热嗜酸菌及其引起的酸化生境是新近分化产生的。

结果与讨论

Results and discussion

作者确定了在YNP的72个代表性热泉环境中，pH范围为2.1–9.6和温度范围为32.7–92.5℃的微生物种群的多样性、分布和推断的生理特征。对古菌和细菌的16S rRNA基因进行定量PCR，揭示了在低pH值的热泉中古菌逐渐成为优势菌群。对古菌与细菌16S rRNA基因拷贝数的对数比率的回归分析表明，其与pH值呈极显着负相关，而与温度则无显着相关。包含pH和温度的多元线性回归模型重申，pH主要是观察到的种群比例变化的原因，而温度的影响可忽略不计。但是，应该需要注意的是，这里采样的许多热泉的温度均超过50℃，因此温度对古菌占优势的不明显影响可能与缺乏低温热泉的采样有关。分析古菌/细菌16S rRNA基因定量PCR比值与pH值的方差测试结果，同时将pH范围为3.0至7.0的样品分为低/高pH组，发现pH 4.0为阈值最能分离数据，即在pH <4.0的热泉，古菌的优势最为明显。

图1 所采样的热泉的温度和pH值以及酸性热泉中的优势好氧古菌。绘制了来自72个YNP热泉的古菌：细菌16S rRNA基因的比例，该比例与热泉温度和pH的关系图。x轴下方的图例提供了相应比例大小的大小和颜色。基于对产生16S rRNA基因序列的热泉中最接近的相关物种，最接近的分离菌株或基因组的生理推断，推断能够进行有氧呼吸的古菌群落百分比。

Figure 1 Temperature and pH of hot springs that were sampled and the dominance of aerobic Archaea in acidic hot springs.(a) Temperature and pH for spring samples (black circles; n = 72) are overlaid on temperature and pH of thermal features down-loaded from the Yellowstone National Park Research Coordination Network database (gray circles; n = 7693). (b) The ratio of archaeal: bacterial 16S rRNA genes from 72 YNP hot springs plotted as a function of spring temperature and pH. Legend below x axis provides size and color for corresponding ratio magnitude. (c) The percentage of the archaeal community inferred to be capable of aerobic respiration, based on physiological inference to the closest related cultivar, nearest cultivated isolate or genome in springs that yielded 16S rRNA gene sequence.

尽管基因组中16S rRNA基因操纵子的数目可以发生变化，因此通过16S rRNA拷贝数定量来估计种群规模变得不那么直观，但在古菌基因组中16S rRNA基因拷贝数通常低于细菌。此外，对rrnDB操纵子数据库中的16S rRNA基因操纵子拷贝数的调查表明，古菌中的Sulfolobales、Desulfurococcales 和Thermoproteales不包含多个16S rRNA基因拷贝，而优势的细菌目全部由具有多个16S rRNA基因操纵子的属组成。 因此，作者通过定量16S rRNA基因估计的细菌种群数量可能会高估真实的种群数量。因此，定性地作者对低pH泉水中古菌优势的估计可能低估了古菌真正的群落优势。当温度超过〜65°C时，在新西兰酸性热泉，以及在20个YNP最热和最酸性的热泉中，也观察到古菌对于细菌的优势。pH<4.0的热泉中，本文中古菌占主导地位的结果与来自全球不同相似环境基于纯培养得出的推论是一致的，这表明古菌在酸性热生境中比细菌具有生态优势。

热泉水中获取的古菌16S rRNA基因的Pyro-tag测序和基于分类学的生理学推断表明，在酸性热泉生态系统中古菌占优势的过渡伴随着古菌将氧气呼吸整合到能量代谢中。线性回归分析表明，推断为有氧呼吸的古菌群落百分比与pH呈显着负相关，但与温度无显着相关，在pH 4.0时根据推断的有氧呼吸能力的有无能最有效地将群落分开，并与观察到的pH <4.0的热泉群落被有氧呼吸古菌所主导相一致。这种趋势是由在低pH值的热泉中与Thermoplasmatales 和Sulfolobales 相关谱系中物种相关的序列的逐渐变得普遍所驱动的，这些谱系中的物种大多数能够使用氧气进行能量代谢。与低温酸性环境相比，细菌在此处分析的嗜酸性微生物群落中所占比例不高。尽管嗜酸细菌可以栖息在高温酸性热泉中，但当温度超过〜75°C时，它们并不占主导地位。这些结果与YNP和其他地区的高温酸性热泉中普遍好氧的Thermoplasmatales 和Crenarchaeota（泉古菌）的普遍分布和优势一致。

以前曾有人提出，古菌在最热和最酸性的环境中占主导地位，这是因为关键的适应机制使它们能够应对长期的环境胁迫。作者的数据提出了酸性地热系统中古菌优势的另一种互补是解释。在这里，酸性热泉的产生与发展很大程度上是由嗜酸性古菌谱系成员（如Sulfolobales ）介导的氧气依赖型微生物硫氧化驱动的，部分原因是要满足在这种环境中栖息必需的能量需求。由此可见，这些谱系在酸性环境中的主导地位的原因可能是硫酸的产生改变了它们的局部环境，因此，在地质-生物反馈过程中（如被描述为小生境建设），将酸适应性较差的种群排除在外。生态位构建的过程也包括通过生物体的活性来改变环境，其中改变的环境有利于生物体及其后代的适应性或选择性生存。就现存的嗜热嗜酸菌而言，可能是由于酸性的生物产生而导致了生态位空间向酸性程度以及温度更高的趋势发展，从而促进了那些负责酸化的生物体及其谱系的辐射式发展。随着时间的流逝和连续的世代发展，这一过程可能表现为嗜酸性谱系以非定向的方式在系统发育关系上远离了其嗜中性祖先。

为了进一步检查氧气在嗜酸古菌的进化中的作用，作者汇总了公开可用的古菌基因组，相应的pH最适值/环境pH值以及氧气使用情况的数据。使用单拷贝系统发生标记基因的系统生物学重建表明，嗜酸性的特征存在于多个古菌谱系中，并且在嗜热菌和嗜盐菌中特别丰富。值得注意的是，所有嗜酸性谱系，包括嗜热菌和嗜盐菌，都嵌套在分类学上高一级的嗜中性和嗜碱谱系中。这表明嗜酸性是从嗜中性或中性嗜酸祖先经过独立且多次演化而来生理特性。尽管环境调查发现在酸性环境中还有其他未培养的古菌，它们都嵌套在其他未培养的谱系中，这些谱系在普通环境或碱性环境中也很普遍，这表明嗜酸性也是这些谱系的衍生特征。另外，在作者的系统生物学重建中未观察到嗜酸性谱系向中等嗜酸性或嗜中性亚谱系的演化，这表明向嗜酸性进化很大程度上是单向过程。这些结果表明，嗜酸古生菌的起源相对较新近，而且起源较广。

图2：古生嗜酸菌的系统发生位置，最佳pH和相应的氧气使用情况。利用584个古菌基因组的53至104个系统发育标记基因的串联序列构筑的最大可能性树。
以目水平在折叠进化树。比例尺表明每个位点的预期替换数。给出了每个可使用品种的谱系的pH最适值和氧气使用数据。品种的最适pH值表明为圆圈，而重构基因组的环境pH值或培养基的pH值以三角形的颜色表示。

Figure 2 Phylogenetic placement of archaeal acidophiles, pH optima and corresponding O2 usage profiles. The Maximum Likelihood tree was constructed using a concatenation of between 53 and 104 phylogenetic marker genes for 584 archaeal genomes (median n = 103; 0.05 percentile n = 70). Order-level (or above) lineages are collapsed in the tree. All nodes shown exhibited bootstraps 495% except where black boxes (470%) or gray boxes (o 70%) are shown. Scale bar shows expected number of substitutions per site. pH optima (scatterplot) and O2 usage data (black/white heatmap on right, as a % of isolates that are aerobic) are given for each lineage where cultivars are available. pH optima for cultivars are shown as circles, whereas environmental pH of reconstructed genomes or cultivation media pH (non-optima) are shown as triangles.

对古菌中可用培养菌株中氧气的使用情况进行分析后发现，嗜热嗜酸古菌目Sulfolobales和Thermoplasmatales占主导地位，这表明拥有利用氧气产出大量能量的代谢能力对于适应和定殖酸性环境至关重要。确实，对最适温度和最适pH的分析以及可获得的古菌氧气使用情况表明，最适生长pH为3.0或更低pH的类群始终具有呼吸氧气的能力。尽管迄今为止分离出的高温嗜酸细菌也都表现出有氧代谢能力，如在Aquificae中的一个属和在Verrucomicrobia中的另一个甲烷营养菌属的最佳生长温度为60°C并能氧化硫，但在65°C以上它们都不能很好生长。这表明细菌在当今高温酸性环境的形成中，以及在过去的地质进化历史中的位置并不重要。

图3：古菌品种的最佳生长pH，最佳生长温度和氧气使用量。每个点代表一个古菌物种，并根据其将氧气纳入其代谢的能力而着色。

Figure 3 Optimal growth pH, optimal incubation temperature and O2 usage for archaeal cultivars. Each point represents a single archaeal cultivar (N = 255) that is colored based on the ability (aerobe; black circles; n = 76) or inability (anaerobe; white circles; n = 179) to incorporate O2 into their metabolism.

用比较基因组学鉴定潜在帮助定殖高酸性环境的蛋白质编码基因，结果表明，尽管属于不同的系统发育谱系，但嗜酸菌基因组中编码的蛋白质相似。此外，由Sulfolobales和Thermoplasmatales基因组编码的蛋白质不同于TACK超门和广古菌的其他物种。这表明，在系统发育上相异的物种可能在其向酸性生境的多样化发展过程中已经趋同进化出相似的蛋白编码基因。

图4：古菌基因组中蛋白质编码基因的相似性。所有古菌基因组中蛋白质编码基因的非度量多维标度图。符号如图2所示：物种基因组为圆圈，环境样品宏基因组重构的基因组为三角形。符号颜色是根据比例表示的最佳pH值或环境pH值。NMDS图仅包括广古菌基因组和TACK 超门基因组。b，c中的黑圆圈分别表示Sulfolobales和Thermoplasmatales。每个点都代表一个基因组，并且点按照右边图例给出的分类进行着色。轴线代表了基因组彼此之间的相对位置，距离较近的点更相似，而距离较远的点则不太相似。

Figure 4 Similarity in protein-coding genes among archaeal genomes. (a) Nonmetric multidimensional scaling (NMDS) plot of protein-coding gene bins among all archaeal genomes. Symbols are as in Figure 2: cultivar genomes are shown as circles and reconstructed genomes from environmental samples are shown as triangles. Symbol color refers to pH optima or environmental pH according to the scale on the right. (b) NMDS plots including only Euryarchaeota genomes and (c) TACK superphylum genomes. Thermoplasmatales and Sulfolobales are indicated with black circles in b, c, respectively. Each point represents a genome, and points are colored according to taxonomic orders as given by the legends on the right. Axes represent relative positioning of genomes to one another, such that points closer together are more similar, and points farther apart are less similar.

为了鉴定有助于嗜酸性菌从其高级谱系分化的那些蛋白，鉴定了分别嗜酸古菌Sulfolobales、Thermoplasmatales与广古菌、TACK超门的蛋白。预测的膜相关通透酶或转运蛋白占差异蛋白的25％左右，这些蛋白可将Thermoplasmatales 区别于其他古菌，在138个富集Thermoplasmatales的蛋白中，超过 50％的Sulfolobales基因组中也存在其中的32个，这与以下观察结果一致：来自Thermoplasmatales 目的Picrophilus torridus和Thermoplasma acidiphilum的基因组与Sulfolobus的基因组具有显着的同源性。许多共享蛋白与渗透酶或膜转运相关，包括氨基酸和溶质转运蛋白/渗透酶，这证明了这些蛋白质功能对于细胞内pH稳态以及在酸性环境中的定殖至关重要。相反，未观察到Sulfolobales的成员中有Thermoplasmatales样蛋白的富集。这些结果表明，从广古菌中分化出的Thermoplasmatales可能部分归因于从类Sulfolobales的祖先中获得了基因。

图5：热图表明了Thermoplasmatales富集的蛋白编码基因在非广古菌基因组中的分布。最大似然树与图2中所示的树相同。仅表示那些在Thermoplasmatales谱系中出现频率> 87％的蛋白编码基因的分布，并且这些基因最能根据指示值将Thermoplasmatales与其他广古菌进行区分。

Figure 5 Heatmap showing the distribution of Thermoplasmatales-enriched protein-coding genes among non-Euryarchaeota genomes. The Maximum Likelihood tree is the same as shown in Figure 2. Protein bin distribution is only shown for those protein-coding genes with 487% frequency within the Thermoplasmatales lineage (n = 138), and which most differentiate the Thermoplasmatales from other Euryarchaeaota based on ‘indicator’ values. Annotations for each protein bin are given in Supplementary Table S7.

对Thermoplasmatales富集的蛋白进行的系统发育进化分析表明，在大多数蛋白的系统发育中，Thermoplasmatales 同源物出现在泉古菌分支内。这些数据支持这样的假说：与Sulfolobales相比，在温度较温和的热泉水中发现的Thermoplasmatales与其他广古菌物种不同，部分原因是从嗜酸的泉古菌类祖先通过横向转移（HGT）获取基因。这种情况与以下假设是一致的：好氧硫氧化Sulfolobales 负责形成高温酸性生态位空间，然后可以促进生成温度较温和的酸性生态位空间，以供日后分化出较温和嗜热嗜酸菌谱系，如Thermoplasmatales。相对于在热泉系统中处于上游的Sulfolobales而言，Thermoplasmatales 的下游位置可能有助于基因从Sulfolobales 单向转移至Thermoplasmatales。已经在嗜酸菌中证明存在广泛的水平基因转移（HGT），并且这可能是Thermoplasmatales谱系获得成功适应嗜酸环境性状的一般机制。

Sulfolobus solfataricus向嗜酸性增加进化的实验支持以下假设：要适应逐渐增加的酸性环境，必须增加代谢能量的产生，部分原因是要满足与氧化应激相关生物合成需求的增加。将S. solfataricus连续3年逐步放入酸性越来越强的培养环境中进行传代后，衍生菌株和原始祖先菌株的转录谱分析表明，衍生品系中耐酸性的增加与分解代谢功能和合成代谢功能的表达增加有关。然而，对衍生菌株和亲本菌株的基因组进行比较分析后发现，膜相关基因和转运蛋白相关基因中只有几个点突变，这表明进化的嗜酸菌株主要在基因调控水平上不同，而不是在获得新性状或性状变异的水平上不同。然而，对自然环境中酸性增加的适应可能更多地受到HGT的影响，而不是单点突变的影响。例如，在开放的自然系统中，裂解细胞和病毒（在酸性热泉环境和已知的嗜酸菌的培养物中很常见）的DNA可能会加速HGT并向酸性更强的栖息地分化。实际上，本文和其他研究中进行的比较基因组分析也强调了HGT在嗜酸菌谱系进化中的重要性。

另外一个有趣的问题，嗜酸嗜酸菌及其栖息的酸性生境是在何时出现的？Sulfolobales中的好氧生物，例如S. solfataricus，在氧气浓度〜1.5％和24％(v/v)之间的生长最佳，分别对应于80°C下的0.87和13.9mM 氧气，而在没有氧气的环境下不能生长。直到氧光合作用出现之后，地球大气才开始有氧气，直到约2.4Ga的地球大氧化时间（GOE）之后，大气氧气浓度才达到可观的水平。GOE的时间点得到了古土壤学如易于氧化的、氧还反应敏感的化合物如黄铁矿和晶质铀矿的实质性变化以及这段时间后沉积岩记录中硫同位素组分的消失等证据的广泛支持。然而，GOE之后大气中氧的可用性直到最近才成为关注焦点。

根据缺氧深海和古土壤化学（特别是Fe³⁺）的硫同位素特征分析，公认的模型认为元古代（Proterozoic）中期的大气氧气含量为当前大气水平的约1％至40％之间。铬同位素记录的新数据表明，GOE后大气中的氧含量可能下降不超过当前大气水平的~ 0.1％。通过多项地球化学观测，包括在有机碳埋藏速率高的海洋沉积物中碳同位素分析，以及加快的Cr氧化还原循环速率的研究等，都表明了在元古代晚期大气氧最终增加到接近当前大气水平。因此，鉴于随着水温增高非线性降低的氧气溶解度、在高温酸性热泉中氧的可用性和必要性，好氧嗜热嗜酸微生物最早可能出现于大气氧气浓度上升到与当前大气水平相当的元古代中期的靠后阶段（大约0.8Ga）。

另一种假设是，好氧嗜热嗜酸菌在GOE之前或期间出现，但在随后的约1.5亿年间失去了其生态位空间，这时大气中的氧气急剧下降并被限制在有限区域（避难所）中，而在约0.8Ga重新出现并辐射进化。其他人则认为，GOE之前或GOE之后沉积铁矿床中的Cr含量的峰值，以及缺乏Cr氧化还原循环的现象，可以用全球陆地黄铁矿储层的酸性风化释放出还原的Cr来解释。据推测，这种风化是由低温好氧的可以氧化黄铁矿的嗜酸菌的活动所驱动的。此外元古代中期极低的氧气水平和多种沉积记录中Cr丰度恢复到前古水平的证据，可能支持好氧嗜酸菌的生态位崩塌假说。

为了评估上述两个假设是否能够通过古菌系统发育的分子年代预测获得支持，作者使用了一个以细菌为外类群的古菌类群时间树。使用最大和最小年代估计，所有古生菌的分化时间分别为3.83Ga和3.46Ga，据估计，Sulfolobales最近祖先（MRCA）的分化时间为1.053Ga，而Thermoplasmatales的MRCA的分化时间估计为0.843Ga，这些时期与前人使用较小的基因组数据集进行的估计差不多一致，并进一步证明了好氧嗜热嗜酸菌在地球历史的晚期辐射进化，并且与元古代中期（约0.8Ga）大气中的氧气上升时间的估计一致。

此外，估计Sulfolobales 的辐射进化要比Thermoplasmatales 的辐射进化早，这为Thermoplasmatales 通过HGT从已经适应嗜热嗜酸性生活方式在高温水热环境中占主导地位Sulfolobales祖先获取基因可能的假设提供了进一步的支持。

结论

YNP的酸性热泉生态系统古菌为优势物种，这与其他全球分布的热泉系统的数据一致。生理学推断表明，在向古菌为主的酸性热泉生境过渡的过程中微生物将氧气整合到了呼吸链中。该结果与酸性环境的生成通常需要依赖氧气的硫化合物氧化的数据相一致，表明嗜热古生菌及其生境的酸性在产氧光合作用出现后共同演化。进一步作者假设这些事件可能是通过一系列地质-生物反馈发生的，其过程类似于生态位构建的过程。尽管在微生物生态学中很少研究生态位构建过程，但考虑到微生物能够较快地影响其局部环境的地球化学组成、通过HGT获得新遗传特性以及它们相对快的繁殖速度，微生物塑造生态位可能是其进化中的普遍现象。系统生物学分析也支持了这些结论，并表明，古菌中嗜酸性的进化相对较早地独立发生在不同的谱系中，并且可能受到HGT的帮助。综上所述，这些结果扩大了作者对热泉中古生菌的生态优势的理解，并为其提供了生理和进化方面的信息。需要对好氧嗜酸菌进行进一步的实验室试验，以评估对环境酸性增强的适应如何影响生态适应性，以及对初始物种分化的潜在影响。

材料和方法

Materials and methods

用便携式pH计和温度探针测定热泉温度和pH，该探针每天用标准缓冲溶液校准。如前所述，从热泉中取热泉沉积物样品，并对进行DNA提取、纯化和定量。如前所述，还通过454 Titanium平台进行了定量PCR和细菌/古菌16S rRNA基因的扩增和测序。原始序列数据存储在NCBI SRA数据库中，SRA登录号为SRR3181942，从现存培养菌株中推断出是否拥有有氧呼吸能力。

从NCBI基因组网站下载可用的古菌基因组，并与JGI集成微生物基因组数据库进行整合，以确保收集了两个数据库中所有可用的代表基因组。使用Amphora2软件包，根据104个单拷贝古菌特异性系统发育标记基因的存在，估算每个下载基因组的基因组完整性。仅收纳存在系统发育标记基因> 50％的基因组，以减少来自低覆盖率基因组的偏倚影响。使用系统发生标记基因的串联比对进行系统发生分析，并使用Clustal Omega v1.2对104个基因数据集进行联配。使用RAxML v.8.2.4对首尾连接的联配结果进行最大似然分析，指定LG蛋白替代模型并设置自展值为100以评估每个节点的可靠度。从已发表的对应物种分离株的培养文献中收集了其最适pH值和有利用氧气能力与否的数据。对于代表未培养物种或没有最佳pH描述的物种的基因组，从发表的文献或培养物收集信息中采集环境pH或培养条件（如果有的情况下）。如果只有pH范围可用，则使用每个种pH值范围的平均值。

将所有基因组的蛋白质先以90％的同源性水平聚类，然后再以60％的同源性水平进行第二类聚类，然后以30％的同源性使用CD-HIT v.6.5.5将所有基因组的蛋白质聚类进行分类。然后使用R包“vegetarian”的“ normalize.rows”功能对每个基因组蛋白的存在/不存在情况进行归一化。然后使用归一化的存在/不存在表，使用用于距离矩阵计算的vegdist函数和R包 vegan中的metaMDS排序函数来构建NMDS图。使用labdsv包的“ indval”函数用于识别相对于其各自上系中的其他谱系而言，在目标组中高度富集的“指标”蛋白。指标分析中使用基因组之间的非标准化存在/不存在矩阵。“指标值”代表特定组内相对于其他组的保真度和频率。根据标记基因系统发育内基因组的位置确定系统发育组，并参考已发表的系统发育组。经鉴定，Thermoplasmatales 的富集蛋白簇箱只考虑了> 0.87的指示值，而Sulfolobales只考虑了> 0.90的指示值。分别对Thermoplasmatales 目进行了指标分析，同时仅分别考虑了Euryarchaeota或TACK 超门的其他成员。蛋白质注释来自代表性的bin序列，并通过人工保守域数据库对蛋白质序列的搜索来增强可靠度。如上所述，在系统发育上分析了在Thermoplasmatales 和Sulfolobales 中高度富集的蛋白bin。通过检查系统发育关系并确定Sulfolobales / Crenarchaeota是否与Thermoplasmatales蛋白质共存来评估来评估其亲缘关系。蛋白质注释来自代表性的bin序列，并通过人工保守域数据库对蛋白质序列的搜索来增强准确性。

为了估计分化时间，使用上述系统生物学分析中的总古菌类群的一个子集来构建以细菌为外类群的时间树。选择部分古菌类群可以减少数据集的大小和计算时间，方法是包括完整数据集中存在的主要生物分类的多个代表，同时删除系统发育上多余的类群。选择了三个细菌类群来代表一个外类群。使用Amphora2对每个细菌基因组的蛋白质编码基因中搜索104个古菌持家基因。
然后，使用Clustal Omega对各个管家基因进行比对，进行连接，并在RAxML中进行ML分析，如上述仅古菌分析中所述。使用在RAxML中的重新采样来评估节点可靠度。然后，使用MEGA7中实现的Reltime方法（使用LG替换模型）并且仅使用数据集中覆盖率> 50％的对齐位置，来估计每个节点的分化时间估计。使用以下校准点，古菌与细菌之间的差异最早分化时间估计为3.83Ga，这对应于格陵兰变质沉积物中的同位素测定的地球上可能存在生命的最早日期。古菌域最迟出现时间估计为3.46Ga，这来自于澳大利亚热泉矿床含甲烷包裹体（古菌产甲烷的最早证据）的同位素分析。

Reference

原文链接：https://www.nature.com/articles/ismej2017162/

参考文献：Colman D R , Poudel S , Hamilton T L , et al. Geobiological feedbacks and the evolution of thermoacidophiles[J]. The ISME Journal, 2017.

译者：August 中南大学

责编：刘永鑫 中科院遗传发育所；文涛 南京农业大学

译者简介

黎亮志，18级生物工程硕士，中南大学资源加工与生物工程学院本硕，研究方向为环境微生物组学，目前主攻极端嗜酸微生物的基因组学研究，曾在微生物学国际学术期刊《Applied and environmental microbiology》发表一作论文。欢迎批评、指正和交流。邮箱：185611025@csu.edu.cn

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