宏基因组学揭示“Candidatus Acidulodesulfobacteriota”细菌门的进化与代谢新机制及其在深海热液硫化物中的生态作用

本研究针对深海热液硫化物中细菌新门“Candidatus Acidulodesulfobacteriota”的进化地位和代谢功能尚不明确的问题，通过整合公共宏基因组组装基因组(MAGs)和热液样本新重建的MAG，开展了系统发育、代谢重建和宿主-病毒互作分析。研究发现该菌门具有独特的DsrAB蛋白进化特征和混合酶类型，提示其可能是硫代谢从还原型向氧化型进化的重要过渡类群；同时鉴定到病毒辅助代谢基因(AMGs)可调控宿主叶酸合成和硫代谢通路。该研究为理解极端环境中微生物的进化适应机制及生物地球化学循环提供了重要理论依据。

　　

在深邃的海洋深处， hydrothermal vents（热液喷口）如同神秘的地下城堡，不断喷涌着富含硫化物和金属的热液。这些极端环境孕育着独特的微生物群落，它们在全球硫循环和能量流动中扮演着关键角色。其中，一个被称为“Candidatus Acidulodesulfobacterales”的细菌类群（最初被归类为Deltaproteobacteria的一个目）引起了科学家的广泛兴趣。早在2019年，研究人员从人工 acid mine drainage (AMD，酸矿排水) 系统中通过宏基因组学方法发现了四个属于该类的宏基因组组装基因组(MAGs)，并推测它们可能是兼性厌氧自养菌， capable of nitrogen fixation（固氮）、dissimilatory sulfate reduction（异化硫酸盐还原）和 iron oxidation（铁氧化）。然而，由于缺乏纯培养菌株和足够的基因组数据，该菌群的进化地位、代谢潜力及其在海洋生态系统（如热液硫化物）中的分布和生态功能仍 poorly understood。

更复杂的是，2020年微生物分类学发生了重大变革：Deltaproteobacteria被重新划分为三个独立的门（Desulfobacterota、Myxococcota和SAR324），而“Ca. Acidulodesulfobacterales”并未被纳入这一新体系。同时，尽管在AMD生态系统中该菌群的MAGs不断被发现，但关于其在海洋环境（尤其是热液硫化物）中的研究却十分稀少。这种知识空白限制了我们对其生物地球化学循环功能的理解，特别是其 dissimilatory sulfite reductase (Dsr，异化亚硫酸盐还原酶) 的进化历史以及与环境中的病毒如何互作等问题亟待解答。

为了解决这些问题，任艳虎（Yanhu Ren）等研究人员在《Environmental Microbiome》上发表了最新研究。他们整合了公共数据库中的167个MAGs，并从一个深海热液黑烟囱样本中重建了一个新的MAG（样本来自西南印度洋2750米深的热液区，于2019年5月通过“大洋一号”科考船采集）。通过系统的系统发育分析、代谢功能注释和宿主-病毒互作预测，研究团队不仅确认了该类群应提升为门水平（提议命名为“Ca. Acidulodesulfobacteriota”），还揭示了其独特的代谢 versatility（多功能性）和进化过渡特征，为理解微生物在硫循环中的进化提供了新的视角。

研究主要采用了以下几种关键方法：首先，从热液硫化物样本中提取总DNA并进行Illumina NovaSeq测序（获得约35 Gbp数据），使用MEGAHIT和MetaWRAP进行序列组装和基因组分箱，最终通过CheckM和dRep筛选出45个非冗余且质量较高的MAGs（完整性>50%，污染度<5%）。其次，利用GTDB-Tk和120个保守标记蛋白进行系统发育分析，通过FastAAI和16S rRNA基因序列确定分类等级。第三，使用Prodigal、MetaCerberus、DiSCo和FeGenie等工具注释代谢通路（包括碳固定、氮固定、硫代谢、氢氧化等）。第四，通过ViWrap流程从公共宏基因组数据中识别病毒基因组和辅助代谢基因(AMGs)，并利用iPHoP预测宿主关系。所有分析均基于严谨的统计学和进化模型（如IQ-TREE 2构建系统发育树）。

研究结果

1. “Ca. Acidulodesulfobacteriota”的发现与系统发育特征

从热液样本中重建的MAG（编号H_13）在该环境中相对丰度高达19.1%，表明其生态重要性。结合公共数据，45个非冗余MAGs被用于分析。系统发育树（基于120个保守蛋白）和16S rRNA基因树均显示，这些MAGs形成一个单系群，且与其他细菌门（如Desulfobacterota）明显分开，支持其作为独立门的分类地位（提议命名为“Ca. Acidulodesulfobacteriota”）。平均氨基酸一致性(AAI)分析进一步揭示该门内部可划分为6个目（包括新提议的Ca. Acididesulfobacterales、Ca. Acidulodesulfobacterales等），其中热液环境的MAGs形成一个独特分支，暗示环境适应驱动了进化分化。

2. 基因组特征与生态分布

这些MAGs的基因组大小在1.0–3.0 Mb之间，GC含量为29.0–43.5%，预测最适生长温度(OGT)为37.9–47.2°C，表明它们是嗜温菌。大多数MAGs来源于AMD环境，仅两个来自热液环境，但它们在系统发育上形成独立目，反映了 habitat-specific adaptation（生境特异性适应）。

3. 代谢潜能分析

代谢重建显示，该菌门具有完整的碳固定途径（还原性TCA循环）、糖酵解、 gluconeogenesis（糖异生）和 pyruvate metabolism（丙酮酸代谢）。多数类群编码固氮基因(nifHDK)，但尿素代谢仅存在于部分菌株。此外，它们拥有多样的 carbohydrate-active enzymes (CAZymes，碳水化合物活性酶) 和重金属抗性基因（如arsB、cusAB），提示其 mixotrophic lifestyle（混合营养生活方式）。硫代谢方面，部分类群具有 assimilatory sulfate reduction（同化硫酸盐还原）和 thiosulfate oxidation（硫代硫酸盐氧化）潜力。最关键的是，所有类群均编码DsrAB蛋白（异化亚硫酸盐还原酶的关键组分），系统发育分析显示其与Desulfurella形成姐妹群，且DiSCo工具预测其酶类型为“reductive disproportionation type”（还原歧化型），表明它们可能 capable of sulfur disproportionation（硫歧化作用）。同时，Dsr操作子结构混合了还原型（Sat-AprAB-Qmo cascade和DsrD）和氧化型（DsrCMKEFH）组件，提示该菌门可能是Dsr代谢从还原向氧化进化的重要过渡 lineage。

4. 宿主-病毒互作

从AMD环境的宏基因组数据中，鉴定出160个病毒 scaffolds/genomes (VSGs) 以该菌门为宿主。其中124个属于Caudoviricetes类病毒。功能注释发现64个辅助代谢基因(AMGs)，涉及碳水化合物代谢、能量代谢、氨基酸代谢（如半胱氨酸和甲硫氨酸代谢）以及辅因子维生素代谢（如叶酸和queuosine生物合成）。例如，病毒编码的DNA methyltransferase (DNMT1) 可能帮助病毒逃避宿主防御系统；而cysD基因可能调控宿主的硫酸盐同化过程。这些AMGs凸显了病毒在调控宿主代谢和生态功能中的潜在作用。

结论与意义

本研究通过宏基因组学方法确立了“Ca. Acidulodesulfobacteriota”作为一个新的细菌门，并揭示了其独特的代谢多样性和进化地位。该菌门在硫循环中可能扮演硫歧化者的角色，其混合酶类型的Dsr系统为理解微生物硫代谢的进化提供了 crucial insights（关键见解）——它可能是连接还原型和氧化型Dsr代谢的“缺失环节”。同时，病毒AMGs的发现强调了病毒-宿主互作在调控极端环境微生物群落功能中的重要性。这些发现不仅深化了我们对深海热液和AMD等硫富集环境中微生物生态功能的认知，还为未来研究（如纯培养分离和实验验证）指明了方向。最终，该研究有助于完善微生物分类学框架，并强调微生物在 global biogeochemical cycling（全球生物地球化学循环）中的核心作用。