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文章信息
- 冯晓远, Venki Perumal, 王风平
- FENG Xiao-Yuan, Venki Perumal, WANG Feng-Ping
- 宏基因组学分析揭示深古菌Bathyarchaeota B242的代谢特征
- Metagenomic analysis revealing metabolic characteristics of Bathrarchaeota B242
- 微生物学通报, 2018, 45(1): 11-18
- Microbiology China, 2018, 45(1): 11-18
- DOI: 10.13344/j.microbiol.china.170722
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文章历史
- 收稿日期: 2017-09-13
- 接受日期: 2017-11-02
- 优先数字出版日期(www.cnki.net): 2017-11-20
2. 上海交通大学微生物代谢国家重点实验室 上海 200240;
3. 上海交通大学海洋工程国家重点实验室 上海 200240
2. State Key Laboratory of Microbial Metabolism, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China;
3. State Key Laboratory of Ocean Engineering, Ocean and Civil Engineering, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China
海洋占据了全球71%的地表面积,其中超过半数的微生物生活在能量供应稀缺的海底沉积物中[1]。这些海底沉积物中的微生物生存并繁衍于高度变化的环境之中,主要依赖于上层海水有机质和营养物质的沉降获取能量。然而由于现有实验培养条件和方法的限制,多数此类微生物缺乏可培养代表,仅有基于16S rRNA基因的相关研究。因此,不依赖于培养、基于组学数据的分析手段为研究此类微生物的进化地位和代谢潜能提供了新的可行途径,并为进一步研究其在全球元素循环过程中的重要地位提供了有效帮助。
深古菌(Bathyarchaeota),旧称MCG (Miscellaneous Crenarchaeota Group),是一类新近发现的古菌,为门(Phylum)水平分类单元,在世界范围内具有广泛多样的生态分布[2-3],在全球碳循环过程中也发挥着至关重要的作用[4],据推测可能是全球丰度最高的微生物之一。基于16S rRNA基因的系统发育学研究揭示出其复杂的内部亚群多样性,目前被分为MCG1−19等多个亚群[2, 5-6],具有多样的生理生化代谢特征。然而,截至目前,仅有数篇直接在基因组层面揭示其代谢潜能和生态功能的相关研究报道。其中,深古菌被报道具有降解蛋白质的能力[3, 7],并且在某些亚群中还发现了与产甲烷途径相关的代谢途径[8]。此外,我们之前的研究还证实其作为产乙酸菌的特性,并对相关基因进行了生理功能验证[9]。但考虑到其内部复杂的亚群分类和代谢特征,对其内部的进化分类地位和生态功能仍然亟待研究。
本研究使用宏基因组学分析手段,对采集自瓜伊马斯盆地深海热液沉积物的样本进行了精细的拼接和分装,获得了一个编号为Bathyarchaeota B242的接近完整基因组,并对其代谢潜能和进化地位进行了全面研究,为后续深古菌的比较基因组分析提供了更加充实的基因组信息。
1 材料与方法 1.1 样品信息及DNA提取测序样本为2007年10月在Alvin 4358次潜航(北纬27°0′43″,西经111°24′19″,深度2 016 m),采集自瓜伊马斯盆地(加利福尼亚墨西哥湾)的深海热液沉积物(深度为0−10 cm),样品采集后储存于4 ℃丁基胶塞玻璃瓶中保存。该沉积物样本为油性且有白色生物层覆盖。其温度由Alvin温度探针检测,样本表面温度为5 ℃,且温度随着沉积物深度的增加而增加,在10 cm处达到44 ℃。后续的DNA提取和测序分析同文献[9]。
1.2 测序数据组装和基因组分装原始宏基因组测序数据由测序公司返回后,使用Sickle软件(https://github.com/najoshi/sickle)对其进行质量控制,对测序质量低的碱基进行剪切和删除,使用参数为--se。随后使用IDBA-UD[10]进行拼接,使用参数为--mink 52、--maxk 92和--step 8。对于拼接后得到长度大于5 kb的拼接片段,通过比较四核苷酸频率特征,使用ESOM[11]进行分装,并使用Bowtie 2[12]将原始的DNA短读段比对到拼接片段上,计算每条拼接片段的测序深度。随后使用mmgenome[13]对这些初步分装获得的基因组进行基于四核苷酸频率特征分析、G+C%含量和测序深度的整合分析,手动检查并进行更加精细的基因组片段分装,最后使用CheckM[14]对其进行初步的物种鉴定以及完整度和污染度的评估。
1.3 功能基因的预测和注释对于上述拼接和分装得到的高质量基因组,使用Prodigal[15]进行蛋白编码序列的预测,使用参数-meta;同时分别使用RNAmmer[16]和CheckM[14]进行16S rRNA基因的预测。对于蛋白质编码序列,将其比对已知的注释信息数据库NCBI NR、KEGG[17]和COG[18]得到功能注释,并手动检测注释的准确性,使用参数为E-values < 10–5。此外,还将这些蛋白质编码序列比对到肽酶数据库MEROPS[19],以寻找编码肽酶的基因并进行分类,并使用PRED-SIGNAL[20]进行细胞外转运信号的检测。
1.4 系统发育树的构建为了确定样本中分装得到的基因组物种分类信息,收集了350个已知的古菌基因组和20个已经发表的深古菌基因组[3, 7-9, 21-22]作为参考基因组,用于构建后续的系统发育树。通过文献调研,使用16个经证实认为没有水平基因转移的古菌单拷贝保守基因(核糖体蛋白L14、L15、L16/L10AE、L18、L2、L22、L24、L3、L4、L5、L6P/L9E、S10、S17、S19、S3、S8)[23]构建系统发育树以确定各基因组的进化地位。对于上述的每一个保守单拷贝基因的蛋白序列进行相同的操作:合并目标基因组和参考基因组中的对应蛋白序列,使用MAFFT[24]进行比对,参数使用默认。随后根据其所属的基因组,将比对好的每一组序列按照相同顺序重新首位连接,用空位补齐缺失的蛋白。将上述连接后得到的序列使用SeaView[25]进行可视化编辑,手动检查并删除高度可变区和比对时引入的大量空位。系统发育树通过使用FastTree[26]、Jones-Taylor-Thornton (JTT)模型和CAT预测法构建最大似然树。自展值通过1 000次重复计算得到。
2 结果与分析 2.1 B242基本信息通过对来自瓜伊马斯盆地深海热液沉积物样本宏基因组测序数据的重新拼接和分装,获得了一个接近完整的深古菌基因组B242 (表 1)。其基因组大小为1.34 Mb,在已知的深古菌基因组中相对较小,G+C%含量为47.36%,平均测序深度为16.92。根据checkM评估,其完整度为96.88%,污染度为1.01%,属于高质量的基因组,适合后续的相关分析研究。
基因组信息 Genomic information |
B242 |
基因组大小Genome size | 1 347 170 bp |
G+C%含量G+C% content | 47.36% |
完整度Completeness | 96.88% |
污染度Contamination | 1.01% |
N50 | 19 870 bp |
测序深度Sequencing depth | 16.92 |
基因数Gene count | 1 365 |
相关的基因组序列已提交至公共数据库DDBJ/ ENA/GenBank,其BioProject编号为PRJNA312413,BioSample编号为SAMN07644978。
然而,在深古菌B242基因组中并没有检测到16S rRNA编码基因。因此,仅能根据基于串联保守基因蛋白质序列进行进化树的构建(图 1)确定其进化地位。结果显示,B242的基因组独立于已知的其他深古菌基因组分支之外,进化地位尚不明确。对其进化地位的进一步确定有待于更多深古菌相关基因组的发现。
2.2 B242异养代谢潜能分析基因组分析结果表明,深古菌B242具有异养代谢潜能(图 2,表 2),可以吸收和降解蛋白质、淀粉和聚乳糖等复杂化合物,并通过糖酵解、磷酸戊糖等代谢途径对其降解产物进行进一步利用。
代谢过程 Metabolic pathways |
功能注释 Annotation |
缩写 Abbreviation |
BLAST物种 BLAST taxonomy |
BLAST相似度 BLAST identity (%) |
蛋白质降解 Protein degradation |
Extracellular serine protease | − | Bathyarchaeota B23 | 54 |
− | Bathyarchaeota B26-2 | 46 | ||
淀粉降解 Starch degradation |
Alpha-amylase | amy | Bathyarchaeota BA2 | 53 |
Glycogen phosphorylase | pyg | Bathyarchaeota SG8-32-3 | 67 | |
Glycogen debranching enzyme | agl | Bathyarchaeota BA2 | 46 | |
聚乳糖降解 Galactan degradation |
Galactosidase | lacZ | Bathyarchaeota B26-2 | 72 |
lacZ | Bathyarchaeota B26-2 | 69 | ||
糖酵解 Glycolysis |
Glucokinase | glk | Bathyarchaeota B63 | 52 |
Glucose-6-phosphate isomerase | pgi | Bathyarchaeota BA2 | 46 | |
6-Phosphofructokinase | pfkA | Bathyarchaeota B26-2 | 64 | |
Fructose 1, 6-bisphosphate aldolase | − | Bathyarchaeota BA1 | 76 | |
Fructose-bisphosphate aldolase | − | Bathyarchaeota B63 | 76 | |
Triosephosphate isomerase | tpi | Bathyarchaeota B26-2 | 63 | |
Glyceraldehyde-3-phosphate dehydrogenase | gapA | Bathyarchaeota B26-2 | 81 | |
gapA | Bathyarchaeota B26-2 | 86 | ||
3-Phosphoglycerate kinase | pgk | Bathyarchaeota B26-1 | 71 | |
Enolase | eno | Bathyarchaeota SMTZ-80 | 63 | |
eno | Bathyarchaeota B26-2 | 62 | ||
Pyruvate kinase | pyk | Bathyarchaeota B26-2 | 62 | |
磷酸戊糖途径 Pentose phosphate pathway |
6-Phosphogluconolactonase | pgl | Bathyarchaeota B63 | 73 |
6-Rhosphogluconate dehydrogenase | pgd | Bathyarchaeota RBG_13_38_9 | 70 | |
Ribose-phosphate pyrophosphokinase | prpS | Bathyarchaeota BA2 | 61 | |
Ribokinase | rbsK | Bathyarchaeota B63 | 60 | |
rbsK | Bathyarchaeota B26-2 | 61 | ||
Xylulokinase | xylB | Bathyarchaeota SMTZ1-55 | 49 | |
xylB | Bathyarchaeota SMTZ1-55 | 49 | ||
xylB | Bathyarchaeota B26-1 | 52 | ||
WL途径 WL pathway |
Formylmethanofuran dehydrogenase | fwdA | Bathyarchaeota B26-2 | 70 |
fwdB | Bathyarchaeota BA1 | 73 | ||
fwdC | Bathyarchaeota BA1 | 60 | ||
fwdD | Bathyarchaeota BA1 | 61 | ||
fwdF | Bathyarchaeota BA2 | 61 | ||
Formylmethanofuran tetrahydromethanopterin N-formyltransferase | ftr | Bathyarchaeota B26-1 | 69 | |
Methenyltetrahydromethanopterin cyclohydrolase | mch | Bathyarchaeota BA1 | 63 | |
Methylenetetrahydromethanopterin dehydrogenase | mtd | Bathyarchaeota B63 | 60 | |
Acetyl-CoA synthase | cdhA | Bathyarchaeota B63 | 80 | |
cdhB | Bathyarchaeota BA1 | 67 | ||
cdhC | Bathyarchaeota SG8-32-3 | 78 |
在蛋白质降解方面,B242编码多种胞外蛋白酶、转运蛋白、胞内蛋白酶、氨基转移酶和铁氧还原蛋白酶,具有完整的蛋白质降解途径。B242共编码1 365个基因,其中被蛋白酶数据库MEROPS[19]注释为具有蛋白酶降解功能的基因共有151个,占总体基因组的11.06%,显示出蛋白质降解对B242的生存代谢具有重要作用。此外,蛋白质代谢的相关基因也在其他已经公开发表的深古菌基因组中被检测到,说明蛋白质降解这一代谢过程可能作为一种通用的生存策略在深古菌中广泛存在。
在碳水化合物降解方面,B242编码蛋白淀粉酶(Amy)、糖原磷酸化酶(Pyg)和糖原脱支酶(Agl),具有将淀粉降解为葡萄糖或磷酸葡萄糖的功能。此外,B242还编码半乳糖苷酶(LacZ),具有降解聚乳糖的能力。
对于其他主要的复杂化合物,如纤维素、脂肪酸、芳香族化合物等,由于缺乏一系列关键代谢基因,因此B242可能并不具有相关的代谢功能。虽然B242并非完整基因组,其代谢相关的关键基因可能并没有得以分装。但是考虑到上述代谢过程所包含的一系列编码基因都没有被检测到,因此可以初步认为,深古菌B242很可能通过降解蛋白质、淀粉和聚乳糖的方式进行异养代谢。
此外,深古菌B242还具有糖酵解途径和磷酸戊糖途径,可以对上述复杂化合物,尤其是碳水化合物降解得到的产物进行进一步利用。B242编码完整的糖酵解途径,能够将葡萄糖转化为乙酰辅酶A并从中获得能量,这一代谢途径更加证明其具有异养代谢的特征。此外,B242还编码不完整的磷酸戊糖途径,包含其中的磷酸葡糖酸内酯酶(Pgl)、磷酸葡糖酸脱氢酶(Pgd),以及下游代谢相关的核糖磷酸焦磷酸激酶(Prp)、核糖激酶(Rbs)和木酮糖激酶(Xyl)等基因,具有合成生命必需的核苷酸和芳香酸前体的潜能。
2.3 B242自养代谢潜能分析虽然大量的复杂化合物降解相关基因显示出深古菌B242具有异养代谢特征,B242同时还编码还原型乙酰辅酶A途径(Wood-Ljungdahl,WL pathway)过程中的大多数基因,其中包括Formylmethanofuran dehydrogenase (Fwd)、Formylmethanofuran tetrahydromethanopterin N-formyltransferase (Ftr)、Methenyltetrahydromethanopterin cyclohydrolase (Mch)、Methylenetetrahydromethanopterin dehydrogenase (Mtd)以及Acetyl-CoA decarbonylase (Acs/codh)。然而,编码5, 10-Methylenetetrahydromethanopterin reductase (Mer)的基因并没有在B242中被检测到,该现象可能是由B242并非完整基因组的原因造成。
总之,深古菌B242可以通过使用四氢叶酸作为一碳载体,以典型的古菌类型[27]还原型乙酰辅酶A途径进行自养代谢。此外,这一代谢途径还在其他深古菌基因组中被发现,是深古菌共有的核心代谢特征之一。
2.4 B242其他代谢潜能分析虽然之前的数篇研究结果表明,某些亚群的深古菌可以进行乙酸代谢途径[9]或甲烷代谢途径[8],但是通过对深古菌B242的基因组研究表明,B242中并没有发现相关的基因,如乙酸代谢途径的基因磷酸乙酰转移酶(Pta)、乙酸激酶(Ack)或乙酰辅酶A合成酶(Acd)和甲烷代谢途径的甲基辅酶M还原酶(Mcr)等。类似的,之前报道的亚硝酸盐还原途径[7]也没有在深古菌B242基因组中被检测到。考虑到深古菌B242并非完整基因组,其是否具有相应的产乙酸、甲烷或者亚硝酸盐还原代谢特征仍然有待进一步研究证实。
深古菌B242还编码多种电子传递体,其中包括二硫化物还原酶(Hdr)甲基紫精还原酶(Mvh)等还原铁氧蛋白的复合物。此外,大量氢化酶和辅酶F420相关的基因也在B242中被发现,其中包括F420H2脱氢酶(Fpo)、辅酶F420氢化酶(Frh)、电子转移黄素蛋白(Etf)和氢化酶成熟酶(Hyp)等,显示出深古菌B242可能使用氢气和辅酶F420作为电子传递链中的主要供体和受体。
深古菌B242还编码多种跨膜运输蛋白,可以进行亚精胺(Pot)、糖类(ABC.MS)、支链氨基酸(Liv)、锌离子(Znu)、二价铁离子(Feo)等物质的跨膜运输,说明B242具有复杂多样的代谢功能。
深古菌B242还编码一系列氧化应激反应相关的酶,其中包括硫氧还蛋白还原酶(TrxB)、核苷三磷酸还原酶(Rtp)、硫氧还蛋白(TrxA)等。此外,B242还编码仅在超嗜热菌中存在的DNA修复蛋白逆促旋酶(Rgy)。参考先前的研究结果[9],B242同样具有潜在的兼性厌氧代谢特征和热适应特征。
3 讨论之前的研究结果表明,本实验采样的瓜伊马斯盆地具有大量的热液羽流区域,其沉积物中包含丰富的硫化物、甲烷以及溶解的无机碳。本实验中使用的样品来自于有机物和硫化物富集环境,其温度随沉积物深度增加而迅速增加。
深古菌是一类在全球范围内广泛分布并大量存在的微生物,具有多样的亚群分类。然而,B242的基因组中并没有包含16S rRNA编码基因,这为其亚群分类的定位带来了一定困难。此外,在基于单拷贝保守核糖体蛋白的系统进化树上,B242并没有与之相近的参考基因组,因此,对深古菌B242的亚群分类定义仍需要未来更多基因组数据的支持。
蛋白质被认为是海洋有机物中最大的组分之一[28]。与之前的研究结果类似,我们发现B242中包含了蛋白质降解的完整途径。此外,B242还具有淀粉和聚乳糖的代谢潜能,以及相关的糖酵解能力,也证明B242具有异养代谢的能力。B242还编码不完整的磷酸戊糖途径,可以完成细胞内必需分子的转化、合成和利用。最后,通过对电子传递体,尤其是多种氢酶的分析,B242可能使用氢气和还原型F420作为电子传递链中的供体和受体。
产乙酸途径和产甲烷途径被认为是微生物能量代谢最基本和最古老的生化代谢途径之一[29]。虽然在其他深古菌的研究工作中发现了对应的基因和代谢途径,但是在B242中,相关的基因并没有被检测到。考虑到深古菌B242的完整度为96.88%,其相关的基因仍可能存在于未分装得到的完整基因组中,因此,B242是否具有相应的产乙酸或产甲烷能力仍然需要更多基因组数据的支持。
对已有的深古菌基因组[3, 7-9]进行研究发现,深古菌可能具有兼性厌氧代谢潜能。B242中也编码多种氧气压力适应相关的基因,可能具有类似的兼性厌氧的代谢潜能。此外,B242还编码仅存在于超嗜热菌中存在的DNA修复蛋白逆促旋酶,然而其是否具有相关的热适应能力仍然有待进一步研究。
4 结论深古菌Bathyarchaeota是一个新近发现的古菌门,其广泛的地理分布和多样的代谢潜能使其成为目前微生物生态学研究的一个热点领域。考虑到其在海洋沉积物中的广泛分布及其内部复杂的亚群分类和代谢潜能(如复杂化合物降解、产乙酸过程、产甲烷过程等),深古菌在全球碳元素的循环过程中可能发挥着重要作用。本研究通过对瓜伊马斯盆地深海热液沉积物样本的宏基因组分析,获得了一个接近完整的深古菌基因组Bathyarchaeota B242,为深古菌进一步研究提供了新的基因组数据。B242具有降解蛋白质、淀粉和聚乳糖等多种异养代谢途径和还原型乙酰辅酶A的自养代谢途径,而且具有潜在的兼性厌氧和热适应能力。本研究为深古菌类群复杂代谢潜能的进一步探索,及其在全球海洋沉积物的碳循环过程中所发挥的重要作用提供了更加丰富的数据支持和帮助。
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