文献阅读|极端嗜盐古菌对高盐环境具有多种独立适应性

文摘   2024-06-06 16:51   浙江  

原题Expanded phylogeny of extremely halophilic archaea shows multiple independent adaptations to hypersaline environments

通讯作者:Laura Eme&David Moreira

第一单位:Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)

期刊:Nature Microbiology

时间:2024

论文链接:https://www.nature.com/articles/s41564-024-01647-4

摘要

极端嗜盐古菌在饱和盐浓度下仍能旺盛生长,因此它们必须与环境保持渗透压平衡。目前,人们对耐盐适应性的进化史知之甚少,特别是因为几个种系的系统发育相互矛盾。本文利用改进分类和最先进的系统发育方法,对极端嗜盐古菌进行了系统发育分析,描述了两个未培养支系Afararchaeaceae和Asbonarchaeaceae。从达纳基尔洼地(埃塞俄比亚)盐水的宏基因组中获得了古细菌的13个MAGs。系统发育分析表明,在古菌进化过程中,至少发生了四种对极端嗜盐的独立适应,基因复制和水平基因转移在这一过程发挥重要作用。

主要内容

1、两组之前未被描述的极端嗜盐古菌

  第一组Afararchaeaceae以埃塞俄比亚阿法尔地区命名,由四个GC比例53-60%的MAGs为代表,它们之间的平均核苷酸同一性(ANI)值介于72%与74%之间。Afararchaeaceae作为hikarchaea+Haloarchaea的姊妹系发生分支。它最初被描述为非嗜盐甲烷菌和Haloarchaea之间的中间产物,这一结果表明,hikarchaea是从极度嗜盐祖先二次适应低盐度的。
     


图1 两组之前未被描述的极端嗜盐古菌
      KEGG 注释表明,Afararchaeaceae可能是利用支链氨基酸作为碳源的异养需氧菌,与许多已知的Haloarchaea相似。它们很可能具有移动性,拥有古鞭毛和趋化操作子的所有基因。此外,Afararchaeaceae的 MAGs 编码用于趋光的 II 型感觉视紫红质,但缺乏细菌视紫红质基因,这表明这些古菌并不像许多光古细菌那样将光作为额外的能量来源。Afararchaeaceae可能采用内盐调节机制,涉及多个钾离子转运体(Trk和Kef)、机械敏感离子通道(MscS和MscL)以及钠钾泵。因此,它们还表现出高度酸性的蛋白质组。
第二组包括9个MAG(GC含量为46-64%),它们之间的ANI值介于74%与79%之间。它们是DPANN家族Nanosalinaceae的姐妹群,鉴于分类的不确定性,以及它们同时存在于好氧和缺氧环境,建议该科正式命名为Asbonarchaeaceae。

2、极端嗜盐古菌基因水平的进化

     本文估算了所有祖先节点上的基因重复、转移、起源、丢失和拷贝数,发现基因转移和丢失似乎是古细菌(包括嗜卤类群)基因含量进化的主要驱动力。涉及编码对渗透调节至关重要的关键无机离子转运体(Trk和Kef型钾离子转运体、镁离子转运体、钠钾泵)的基因。
     来自细菌的大规模的水平基因转移(HGT)在进化过程中可能发挥了重要作用,但其程度和时间仍有争议。在Afararchaeaceae和Haloarchaea发生分化之前,已经发生了几次基因转移,从而促进了它们的共同祖先对极端嗜盐环境的适应。例如,参与合成渗透保护剂甘氨酸-甜菜碱的胆碱脱氢酶BetA56就是通过HGT获得的。该基因在hickarchaea中并不存在,这验证了它们在次生适应低盐环境过程中基因丢失的观点。另一个例子是参与吸收渗透保护剂(如甘氨酸甜菜碱)的BCCT家族转运体 ,Methanonatronarchaeia从细菌中获得了这种转运体。

图2 嗜盐古菌的耐盐机制

总结

     本文研究得出了一个可靠的古菌系统发育,其中包括两个以前未知的嗜盐系:Asbonarchaeacea和Afararchaeaceae。Afararchaeaceae的位置挑战了以往hikarchaea介于甲烷菌和Haloarchaea之间的观点。此外,我们在古细菌中发现了四种对极端嗜卤的独立适应:Haloarchaea+Afararchaeaceae、Methanonatronarchaeia、 Halarchaeoplasmatale、Nanosalinaceae+Asbonarchaeaceae。所有这些适应性都涉及到蛋白质组酸化和盐入策略。此外,HGT 在这些嗜盐古菌之间传播关键基因(如编码离子转运体的基因)方面发挥了至关重要的作用。这就提出了这样一个问题:对极端嗜卤的最初适应是否仅发生在一个类群,然后通过 HGT 扩散到其他类群,以及哪个极端嗜卤类群最先出现。要回答这些问题,需要进一步研究适应性基因及其在已知和尚未描述的嗜卤古细菌中的分布情况。

声明:本文仅供科研交流使用,文章翻译内容可能与原文略有出入,如有侵权或重大问题请通过后台与编辑联系。


来源|浙江大学环境微生物课题组

本文作者|崔芳源‍‍‍‍‍‍‍‍

责任编辑|朱林



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