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氨氧化古菌在淡水生态系统的分布格局及演化历史取得进展

  氮素生物地球化学循环主要由微生物驱动,包括固氮、硝化、反硝化和氨化过程。其中硝化过程包括氨氮氧化和亚硝酸盐氧化,氨氧化是一个重要的限速过程,主要由有氧氨氧化细菌、厌氧氨氧化细菌、有氧氨氧化古菌和完全氨氧化细菌四类生物参与完成。 

  氨氧化古菌属于奇古菌门(Thaumarchaeota),是自卡尔·乌斯于1977年定义古菌域以来首个被发现在非极端环境下生存的古菌类群之一。氨氧化古菌可在有氧条件下将氨氮氧化为亚硝酸盐以获取能量并广泛分布在水生和陆生环境中。前期研究工作搜集了公共数据库中全球不同生境奇古菌基因组序列,基于系统发生学和分子定年分析揭示了氨氧化古菌的演化和古地球氧气含量变化紧密相关(Ren  et al., 2019, 13:2150–2161, The ISME Journal),且发现已有氨氧化古菌基因组多来源于海洋和陆地环境,而对淡水环境中氨氧化古菌的分布格局、基因组多样性及演化历史等问题尚不清楚。 

  本研究基于高原深水湖泊泸沽湖沉积物宏基因组,构建了高质量氨氧化古菌基因组,进一步整合来自全球深水湖泊、河流和海洋等多类型环境的102个基因组,发现淡水氨氧化古菌主要属于Nitrosopumilaceae科,分布在Nitrosopumilus, Nitrosoarchaeum Nitrosotenuis三个属水平类群中(图1)。其中淡水Nitrosopumilus仅存在于深水湖泊,而Nitrosoarchaeum分布在深水湖泊和河流中,Nitrosotenuis则主要在河流、河口和深水湖泊分布。研究发现,在深水湖泊中,Nitrosopumilus在上层水体中占优势,而Nitrosoarchaeum随水深呈现丰度增加的趋势(图2),揭示了氨氧化古菌呈现垂向生境分化的现象。此外,在Nitrosopumilaceae科中的淡水氨氧化古菌,至少经历了一次淡水到海洋和两次海洋到淡水的生境转移进化事件;这些生境转移事件均伴随着不同古菌类群中功能基因的获得和丢失,比如淡水Nitrosopumilus中鞭毛合成和离子转运相关基因的丢失、淡水Nitrosoarchaeum中尿素合成及机械敏感性离子通道等基因的获得(图3)。上述成果丰富了氨氧化古菌在淡水生态系统的生态分布特征和进化机制研究,为进一步开展其介导的碳氮生物地球化学循环提供科学参考。 

  相关研究成果发表在微生物生态领域知名期刊The ISME Journal,文章第一作者为任明磊助理研究员,通讯作者为王建军研究员。项目得到了国家自然科学基金、中国科学院国际合作项目、科技部援助项目、中国科学院前沿重点项目等资助;也得到了北京大学赵进东院士、中国科学院水生生物研究所李涛研究员、上海交通大学王风平教授、维也纳大学Michael Wagner教授和Craig Herbold 博士、香港中文大学张昊博士的指导和帮助。文章链接: 

1. 全球淡水氨氧化古菌地理分布

 

2. 泸沽湖氨氧化古菌的分布 

3. 氨氧化古菌系统发生树及其生境转移相关的关键功能基因分布