細菌與古細菌的基因組草圖

2020-11-25 天極網資訊

細菌與古細菌的最大可能「進化樹」（族譜）示意圖。圖片來源：Christian Rinke et al. 2013

微生物是這個星球上最豐富多樣的細胞生物。但大部分微生物都難以培養，關於它們的基因組數據很少。人們把進化樹上未標註出的微生物形象地稱為「微生物暗物質」。日前，美國科學家利用單細胞基因組學技術，對從未在實驗室中被培養過的細菌與古細菌進行測序，獲得了201種細菌與古細菌的基因組草圖，大大拓寬了人類對「微生物暗物質」的認識。研究結果發表在7月14日的《自然》。

「細菌和古細菌的採樣非常欠缺，很多關係仍不明朗，」文章的通訊作者、美國能源部聯合基因組研究所（DOE Joint Genome Institute）的微生物學家塔尼亞·沃克（Tanja Woyke）在接受果殼網採訪時表示：「我們開始系統地補充這些採樣欠缺的微生物分支的資料，並利用高通量的單細胞基因組學技術來解釋它們之間的關係。」

這些發現對系統發生學研究具有重要意義。「生命之樹上代表細菌和古細菌的分枝就好比人類的族譜。舉個例子，如果族譜上少了一些曾祖父母，家族的脈絡就會變得殘缺而模糊，要重構家族的關係與進化歷程就變得相當艱巨。」塔尼亞向果殼網介紹道：「微生物在數十億年前就已經出現。從熱液噴口、鹽灘到熱泉，它們佔據著廣闊多樣的生態系統。了解它們如何在如此多樣、甚至極端的生境中適應、進化是很重要的。」

研究對來自9種不同生境的微生物樣品進行了分析（圖I），鑑別出的「微生物暗物質」分別屬於29個此前未知的微生物分支。利用這些基因組信息，研究者得以釐清許多微生物在門內與門間的關係，並提出了兩個新的超門（Superphyla）。

圖I: 全球9個樣品採集位點分為海洋樣品（藍色）、淡水和鹹水樣品（綠色）、熱液樣品（紅色）、沉積物樣品（紫色）以及生物反應器樣品（橙色）五個大類。其中，TG-南大西洋熱帶環流；HOT夏威夷海洋時間序列測試站；GOM-緬因灣；HSM-霍姆斯特克礦；SAK-薩奇諾湖；GBS-大沸泉；EPR-東太平洋海隆；ETL-伊託裡高潟湖沉積巖；TA-對苯二甲酸酯降解反應器。圖片來源：Christian Rinke et al. 2013

此前，獲取新微生物基因組數據的主要方法是宏基因組技術。這種技術通過直接提取環境樣品中所有微生物的總DNA，研究該環境下的微生物多樣性。這項研究中，研究者將高通量單細胞流式分選技術、全基因組擴增技術及SSU rRNA單擴增基因組篩選技術結合，構成SAG分析平臺（圖II）。參考研究獲得的基因組信息，研究員對高達3.4億個分類不夠精細或分類錯誤的宏基因組序列信息進行了修正和調整，從而使生命之樹的分支脈絡變得更加清晰準確。

圖II：單細胞測序流程：環境樣品經過流式細胞分選後裂解並進行基因組擴增，利用SSU rRNA基因作分類學鑑定，挑選出的新世系進行基因組測序組裝，最終得到201份基因組草圖。圖片來源：Christian Rinke et al. 2013

卡爾·烏斯（Carl Woese）於1977年提出三域系統，將生物分為細菌域、古菌域和真核域。這三個域（domain）是生命之樹最初的三個分支。這次的研究發現，「不同域之間的邊界並不像以往認為的那樣嚴格分明。」塔尼亞告訴果殼網。

研究從「微生物暗物質」的基因組信息中發現了一些新的代謝特徵：有2種細菌能夠利用真菌的通路合成嘌呤；3種古細菌則能夠編碼完整的σ因子，這種蛋白是原核生物RNA聚合酶的一個亞基。此外，還有1種古細菌編碼的氧化還原酶可能來源於生活在土壤中的變形蟲（一種真核生物）。塔尼亞表示，「這些結果大大地出乎我們的意料。」

目前，單細胞基因組學技術的主要缺點在於覆蓋率較低，即得到的測序信息並不能完全覆蓋整個基因組。但一些實驗室已致力於解決這一問題。塔尼亞對果殼網說：「我並不認為三年內會有既划算，精確度又高的宏基因組技術形成。在那樣的技術問世之前，我預計單細胞基因組學技術將蓬勃發展，並成為微生物生態學和人體微生物組研究的一種標準手段。」

 

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信息來源：EurekAlert!
文章小圖：mmbr.asm.org

（作者：科普中國責任編輯：天極科普君）

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