氮素生物地球化學迴圈主要由微生物驅動,包括固氮、硝化、反硝化和氨化過程。其中硝化過程包括氨氮氧化和亞硝酸鹽氧化,氨氧化是一個重要的限速過程,主要由有氧氨氧化細菌、厭氧氨氧化細菌、有氧氨氧化古菌和完全氨氧化細菌四類生物參與完成。
氨氧化古菌屬於奇古菌門(Thaumarchaeota),是自卡爾·烏斯於1977年定義古菌域以來首個被發現在非極端環境下生存的古菌類群之一。氨氧化古菌可在有氧條件下將氨氮氧化為亞硝酸鹽以獲取能量並廣泛分佈在水生和陸生環境中。前期研究工作蒐集了公共資料庫中全球不同生境奇古菌基因組序列,基於系統發生學和分子定年分析揭示了氨氧化古菌的演化和古地球氧氣含量變化緊密相關(Renet al.,2019,13:2150–2161,The ISME Journal),且發現已有氨氧化古菌基因組多來源於海洋和陸地環境,而對淡水環境中氨氧化古菌的分佈格局、基因組多樣性及演化歷史等問題尚不清楚。
本研究基於高原深水湖泊瀘沽湖沉積物宏基因組,構建了高品質氨氧化古菌基因組,進一步綜合來自全球深水湖泊、河流和海洋等多類型環境的102個基因組,發現淡水氨氧化古菌主要屬於Nitrosopumilaceae科,分佈在Nitrosopumilus,Nitrosoarchaeum和Nitrosotenuis三個屬水准類群中(圖1)。其中淡水Nitrosopumilus僅存在於深水湖泊,而Nitrosoarchaeum分佈在深水湖泊和河流中,Nitrosotenuis則主要在河流、河口和深水湖泊分佈。研究發現,在深水湖泊中,Nitrosopumilus在上層水體中佔優勢,而Nitrosoarchaeum隨水深呈現豐度新增的趨勢(圖2),揭示了氨氧化古菌呈現垂向生境分化的現象。此外,在Nitrosopumilaceae科中的淡水氨氧化古菌,至少經歷了一次淡水到海洋和兩次海洋到淡水的生境轉移進化事件;這些生境轉移事件均伴隨著不同古菌類群中功能基因的獲得和遺失,比如淡水Nitrosopumilus中鞭毛合成和離子轉運相關基因的遺失、淡水Nitrosoarchaeum中尿素合成及機械敏感性離子通道等基因的獲得(圖3)。上述成果豐富了氨氧化古菌在淡水生態系統的生態分佈特徵和進化機制研究,為進一步開展其介導的碳氮生物地球化學迴圈提供科學參攷。
相關研究成果發表在微生物生態領域知名期刊The ISME Journal,文章第一作者為任明磊助理研究員,通訊作者為王建軍研究員。項目得到了國家自然科學基金、中國科學院國際合作專案、科技部援助項目、中國科學院前沿重點專案等資助;也得到了北京大學趙進東院士、中國科學院水生生物研究所李濤研究員、上海交通大學王風平教授、維也納大學Michael Wagner教授和Craig Herbold博士、香港中文大學張昊博士的指導和幫助。
文章連結:
https://doi.org/10.1038/s41396-022-01199-7
圖1.全球淡水氨氧化古菌地理分佈
圖2.瀘沽湖氨氧化古菌的分佈
圖3.氨氧化古菌系統發生樹及其生境轉移相關的關鍵功能基因分佈