盐胁迫环境下不同微生物缓解碳限制的生态进化策略不同

为了研究耐盐细菌和古细菌可能的生态进化策略，筛选了 500 个对盐度有正向和负向反应的类群，这些类群分散在细菌和古菌分支中。这 500 个类群根据其进化枝和对盐度的响应的差异形成了四个观察组。具体来说，它们是对盐度呈负响应的细菌（neg-bac，200个分类群），对盐度呈正响应的细菌（pos-bac，200个分类群），对盐度呈负响应的古细菌（neg-arch，50个分类群） ）和对盐度正响应的古细菌（pos-arch，50个分类单元）。这500个类群约占绝大多数样本中总类群丰度的50%（图1a），并且它们在门水平上的分布极其异质（图2a）。

发现细菌和古细菌在盐度上的表现不同。pos-bac和neg-bac中的类群往往与盐度线性相关（图1b，c），而pos-arch和neg-arch中的类群表现出阈值行为，其特征是绝对丰度和盐度之间的关系存在断点（图1d、e)。

对于细菌来说，pos-bac组的平均基因组大小显着小于neg-bac，而pos-arch类群的基因组大小显着大于neg-arch组（图2b）。此外，古细菌两组之间的基因组大小差异大于两个细菌组之间的基因组大小差异。

为了排除可能混淆这些结果的基因组大小的系统发育差异，进一步比较了同一门中属于两种类群的基因组大小。对于细菌，neg-bac 和 pos-bac 组中仅共有 Proteobacteria 和 Chloroflexi。考虑到两个响应组中 Chloroflexi 的丰度较低（<2%，图 2a），以及其较小的分类群数量不足以支持统计分析的可靠性。因此，仅进一步分析变形菌门（112 个分类群与 69 个分类群）。对盐度做出正响应的变形菌的基因组大小明显小于那些做出负响应的变形菌（图2c）。neg-arch和pos-arch之间没有共同的门，因为pos-arch中发现的所有类群都属于Euryarchaeota，而neg-arch中的所有类群都属于Thaumarchaeota（图2a）。因此，将每个古菌反应组的基因组大小分布与Euryarchaeota（正）或Thaumarchaeota（负）的所有成员进行比较，无论它们对盐度的响应如何。pos-arch中的类群的平均基因组大小为3.74 Mb，明显大于整个Euryarchaeota的2.49 Mb（图2d）。进一步进行了调查分析，以显示先前报道的耐盐古菌的基因组大小。调查的耐盐古菌的平均基因组大小为3.53 Mb，与本研究中的pos-arch组（3.74 Mb）接近，并且显着大于整个Euryarchaeota的基因组大小（图2d）。尽管 neg-arch 的基因组大小总体上比 Thaumarchaeota 更大，但它们之间的差异（1.60 Mb 与 1.36 Mb）没有 pos-arch 和Euryarchaeota之间的差异（3.74 Mb 与 2.49 Mb）那么显著。

在细菌和古细菌中，较小的基因组大小往往与较低丰度的功能基因相关。平均而言，pos-arch组中的类群比neg-arch组中的类群具有显着更高的KO和KEGG通路丰度，而在细菌中观察到相反的情况（图3a，b）。只有一个例外，pos-bac 组和 neg-bac 组之间的遗传信息处理途径没有显着差异（图 3b）。

进一步确定了区分耐盐群体和盐敏感群体的3级KEGG途径，产生了39条细菌途径和51条古菌途径（图3c）。对于细菌来说，39个生物标志物通路中的31个与代谢相关，并且这31个代谢相关通路中的29个在neg-bac组中比在pos-bac组中更丰富。相反，在 51 条古细菌生物标志物途径中，有 35 条与代谢相关，但这 35 条中的 31 条在pos-arch组中比在neg-arch组中更丰富。具体到遗传信息处理途径，RNA聚合酶在neg-bac组中比在pos-bac组中更丰富，但同源重组表现出相反的模式。neg-arch 的 4 条遗传信息处理途径中的 3 条的丰度高于 pos-arch，包括内质网中的蛋白质加工、碱基切除修复和非同源末端连接。

图3 细菌和古菌功能潜力对盐度的反应发生变化

与盐敏感类群相比，耐盐细菌和古细菌均具有显着更高的与耐盐性相关的 KO 丰度（图 4a）。这为分组的准确性提供了支持。与丰度不同的是，细菌和古菌之间的耐盐机制多样性存在显着差异。耐盐古菌往往具有全面的抗盐机制。对于三种最著名的适应性耐盐机制（包括Na+排出、K+吸收和合成渗透性溶质），76 ％的耐受古菌（38个分类群）拥有所有三种耐盐机制（图4e），而只有20％的敏感古菌（10个分类群）拥有所有三种机制（图4d）。细菌群则显示出相反的模式。也就是说，pos-bac 中的类群具有较低的耐盐机制多样性。

与盐敏感细菌和古细菌相比，耐盐细菌和古细菌往往含有更高比例的C-获取基因（相对基因丰度，C-获取基因丰度与整体基因丰度的比例）（图5a）。具体而言，pos-bac 组中总碳获取基因（碳固定（C-fixation））基因加上碳降解（碳水化合物活性酶，CAZymes）的相对丰度为 13.49%，而 neg-bac 组为 12.43% 。这种模式对于古细菌来说更为明显，pos-arch 中的总 C 获取基因比例为 24.37%，而 neg-arch 中为 12.65%。pos-bac和neg-bac之间参与C获取的基因的绝对丰度没有显着差异（图5b）。对于古细菌，pos-arch 参与 C 获取的基因绝对丰度显着高于 neg-arch（图 5b）。

细菌和古细菌反应组之间的 C 获取基因多样性存在差异（图 5c、d）。C获取基因的频率分布表明，耐盐古菌比盐敏感古菌具有更全面的C获取机制，而耐盐细菌相对于盐敏感细菌的C获取机制多样性较低。pos-arch 组中的 34 个类群 (68%) 具有所有七种 C 固定机制，但仅发现了 11 个类群具有所有七种机制 (22%)在neg-arch中。相比之下，pos-bac 中只有 69 个分类群 (34.5%) 检测了所有七种 C 固定机制，低于 neg-bac 中的 163 个分类群 (81.5%)。pos-arch组中的所有类群都有5个或更多的C固定机制，而neg-arch组中有22个类群（44％）没有无机C固定机制（图5c）。这些模式也适用于 C 降解 CAZymes。简而言之，pos-arch组中有 35 个包含所有六类 CAZymes 的类群（占 70％），而neg-arch中有 6 个（占 12％）（图 5d）。细菌则具有相反的模式，pos-bac 中有 86 个分类单元（43%），neg-bac 中有 139 个分类单元（69.5%）（图 5d）。

讨论

细菌基因组大小随盐度的变化与基因组精简作为一种生态进化策略是一致的。耐盐细菌的基因组尺寸较小，以及具有盐度梯度的细菌类群的功能基因较少，共同证明了基因丢失。细菌中的基因丢失似乎是选择性的，因为经历基因丢失的 KEGG 通路中 > 60% 与代谢相关（图 3c）。这些稀释的代谢途径包括碳水化合物代谢、氨基酸代谢和辅因子/维生素代谢（图3c和图8c），这些途径与细菌生长密切相关。这一结果表明，要在适应极端环境和牺牲生长之间进行权衡。在基因组精简过程中，功能冗余的基因也会不成比例地丢。尽管基因组精简是耐盐细菌的总体策略，但一些基因在耐盐细菌中是强大的或富集的。这些包括与遗传信息处理相关的基因（图3b），通常被认为是编码基本细胞活动的核心/管家基因，例如复制、转录和翻译。此外，耐盐细菌中富含抗盐基因（例如，Na+排出、K+吸收、有机溶质吸收或合成，图4a），这可以将渗透压和细胞生理代谢维持在所需限度内。

与盐敏感古菌相比，耐盐古菌的基因组大小显着增大（图2），这表明其生态进化策略可能与细菌完全不同。耐盐古菌基因组的扩大伴随着功能性状的增加（图3a）。虽然预计会观察到耐盐基因的增加（图 4），但我们还在广泛分布的 KEGG 通路中发现了富集基因（图 3b、c）。基因富集尤其集中在与细胞代谢相关的基因中。总的来说，耐盐古菌中丰富的代谢基因表明盐度可能不会阻碍它们的生长，这与耐盐细菌的基因组策略形成鲜明对比。耐盐古菌往往比耐盐细菌具有更全面的代谢机制（图5c，d），这可能在资源获取和种群增殖方面具有优势。

耐盐细菌和耐盐古菌都比盐敏感细菌含有更高比例的C获取基因（图5a），这可能表明盐胁迫下对C获取基因的投入增加。这提供了证据表明耐盐类群（无论细菌或古细菌）增加了C需求，因为它们比盐敏感类群编码更多的耐盐基因（图4a）。耐盐细菌中基因组大小（图 2b）和功能基因含量（图 3a）的减少被认为与较低的 C 和能量消耗有关。与盐敏感细菌相比，耐盐细菌并没有显着增强C获取能力，C获取的绝对基因丰度证明了这一点（图5b）。相比之下，耐盐古菌具有最高丰度的 C 获取基因（图 5b），并且总体上包含更全面的 C 获取机制（图 5c 和 d）。这可能使古细菌能够满足其碳供应需求，支持盐胁迫抵抗机制和扩大基因组的维持。

研究结果表明，土壤细菌和古细菌响应盐度增加的不同进化方向。细菌似乎采用了基因组精简策略，其基因组较小，对盐的反应功能基因丰度减少，就证明了这一点。然而，古细菌在盐胁迫下保持基因组大小并增加功能复杂性。此外，与C获取相关的基因在耐盐古细菌中富集，表明它们在盐胁迫下仍保持较高的C获取潜力。这些结果表明，耐盐细菌似乎通过基因组精简来节省能源消耗，而耐盐古细菌则通过增加碳获取能力来扩大其资源利用。不同的进化策略可能反过来改变细菌和古细菌之间的种群相互作用和群落演替。