45億年的地球演化，產(chǎn)生了酸性土壤、海斗深淵等截然不同的極端環(huán)境和宜居生境，但微生物如何適應(yīng)環(huán)境脅迫并實現(xiàn)全球擴散，一直是研究的熱點和難點。最近，中國科學(xué)院南京土壤研究所賈仲君團隊經(jīng)過8年努力，聯(lián)合國內(nèi)外同行，發(fā)現(xiàn)能量中心ATPase基因水平轉(zhuǎn)移是古菌AOA適應(yīng)酸性脅迫和深海高壓的遺傳新機制，研究成果最近在國際期刊The ISME Journal上發(fā)表。
　　據(jù)估算，全球30%以上的陸地表層土壤偏酸性（pH<5.5），但古菌AOA的嗜酸機制一直是研究難點。主要原因是：（1）土壤形成需要至少上萬年，地質(zhì)時間尺度下的嗜酸古菌AOA發(fā)育不可重復(fù)、無法模擬、很難驗證；（2）古菌AOA生長緩慢，很難用傳統(tǒng)培養(yǎng)方法研究。針對這些難點，賈仲君研究團隊開發(fā)了系統(tǒng)發(fā)育宏基因組技術(shù)，突破了古菌AOA氨單加氧酶的傳統(tǒng)研究思維，聚焦于普適性的能量貨幣ATP合成基因；構(gòu)建了古菌的地質(zhì)歷史系統(tǒng)發(fā)育圖譜，提出了V-型ATPase基因水平轉(zhuǎn)移的古菌嗜酸耐壓新機制。首先，利用高度靈敏的13C和15N同位素示蹤技術(shù)，克服了古菌難培養(yǎng)的難題，在復(fù)雜土壤中清楚表征了古菌AOA的嗜酸生長特點，獲得了高度富集的AOA古菌13C-DNA；通過整合PacBio單分子長片段和illumina高通量測序優(yōu)勢，重構(gòu)了三個不同生態(tài)型的酸性土壤古菌AOA基因組MAG；進一步利用系統(tǒng)發(fā)育組學(xué)技術(shù)，結(jié)合蛋白結(jié)構(gòu)的計算模擬，發(fā)現(xiàn)所有酸性土壤AOA僅含V-型ATPase基因簇，而所有中性和堿性土壤AOA僅含A-型ATPase。在此基礎(chǔ)上完成了遺傳功能的異源驗證，發(fā)現(xiàn)導(dǎo)入V-型atp 操縱子（8623bp）后，大腸桿菌（E. coli）能夠更好適應(yīng)酸性脅迫生長。這些結(jié)果清楚說明，V-型ATPase是古菌AOA適應(yīng)酸性脅迫的關(guān)鍵模塊。
　　同時發(fā)現(xiàn)，所有淺海AOA僅含A-型ATPase，而深海AOA均含V-型ATPase，純培養(yǎng)研究則表明A-型ATPase不具有耐壓功能；進一步分析四個超級門208個古菌物種分布的基因組規(guī)律（TACK、DPANN、Asgard和Euryarchaeota），發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)發(fā)育單支源底部的Thermoplasmatales 廣古菌ATPase基因簇兩側(cè)含有橫向基因側(cè)移的特征轉(zhuǎn)移酶和內(nèi)切酶，在大約7~11億年前，極可能將V-型ATPase基因水平轉(zhuǎn)移至古菌AOA，導(dǎo)致其獲得耐高壓的生理功能。此外，也發(fā)現(xiàn)V型ATPase可能是古菌嗜鹽厭氧的重要基礎(chǔ)，為重構(gòu)古菌生理的地球演化歷史提供了新思路。
　　這一發(fā)現(xiàn)為地質(zhì)時間尺度下古菌AOA的全球分布及擴散提供了遺傳代謝新機制。中性土壤中的古菌AOA，通過基因水平轉(zhuǎn)移獲得V型ATPase即可成功定居于酸性環(huán)境，而淺海AOA則獲得耐高壓能力并棲息于海斗深淵。研究工作得到編輯的好評，應(yīng)邀撰寫了behind the paper亮點并發(fā)表在Nature research 微生物專欄。
　　該工作與4個國家15個科研機構(gòu)的同行合作完成，特別得到了中科院微生物研究所研究員黃力、南京農(nóng)業(yè)大學(xué)教授閆新、深圳大學(xué)高等研究院教授李猛、美國華盛頓大學(xué)教授David Stahl和維也納大學(xué)教授Michael Wagner團隊等相關(guān)領(lǐng)域?qū)＜?，以及PacBio單分子測序公司和美吉生物公司的支持。南京土壤所博士王保戰(zhàn)、華盛頓大學(xué)博士秦瑋、美吉生物博士任一為論文第一作者，賈仲君為通訊作者。研究工作得到中國國家基金委面上項目、水圈重點項目、中科院青促會和先導(dǎo)專項B以及美國國家基金委和能源部等的資助。
　　文章鏈接
　　 
　　土壤和海洋古菌AOA及四個超級門嗜酸耐壓環(huán)境適應(yīng)機制及其地球進化示意圖
　　 
　　土壤和海洋古菌AOA的物種系統(tǒng)進化關(guān)系及其與ATPase基因的關(guān)聯(lián)分析