厌氧发酵细菌候选门Cloacimonadota的多样性、代谢潜能与全球分布研究

《Environmental Microbiome》：Diversity, metabolic potential and global distribution of the anaerobic fermentative bacteria Phylum Candidatus Cloacimonadota

本研究针对候选门Cloacimonadota分类地位不清、海洋环境多样性未知等问题，通过宏基因组分析从永乐蓝洞获取6个高质量MAGs，结合全球483个基因组进行系统发育和功能比较。研究发现该门可分为Clade A和Clade B两大分支，二者在氢代谢（NiFe/MvhADG-HdrABC与Hnd/FeFe Group A3复合物）、底物利用等方面存在显著差异，蓝洞来源MAGs具有几丁质酶等独特代谢基因并通过异源表达验证活性。研究揭示了该门在生物地球化学循环中的生态角色，对海洋资源开发具有重要价值。

　　

在浩瀚的海洋深处，存在着一种神秘的自然奇观——蓝洞。这些充满深蓝色海水的垂直洞穴，如同海洋投向地球的深邃目光，其中蕴藏着独特的生态系统。永乐蓝洞（Yongle Blue Hole）作为目前已知最深的海洋蓝洞，其水体呈现典型的氧化-缺氧-完全无氧的多层结构，形成了一个近乎封闭的天然实验室。在这片黑暗、缺氧的水域中，微生物承担着重要的生态功能，驱动着碳、氮、硫等元素的生物地球化学循环。

然而，其中一类重要的厌氧细菌——候选门Cloacimonadota（原名Cloacimonetes, WWE1）却长期笼罩在神秘面纱之下。这类严格厌氧的微生物至今无法通过传统培养方法获得纯培养，其分类地位模糊不清，目前仅有一个被命名的类别——候选纲Cloacimonadia。更令人困惑的是，虽然该门细菌在工程系统和废水处理设施中频繁被检测到，但它们在海洋环境中的多样性、代谢特征和生态功能却鲜为人知。

为了解决这些科学问题，刘毅等研究人员在《Environmental Microbiome》上发表了最新研究成果。他们从永乐蓝洞完全无氧区（120、140和170米深度）获得了6个高质量的宏基因组组装基因组（MAGs），并结合从全球数据库下载的483个Cloacimonadota基因组进行了系统的比较分析。

研究团队运用了多项关键技术方法：通过宏基因组测序和组装获得高质量MAGs；利用16S rRNA基因、120个单拷贝标记基因和15个核糖体蛋白串联序列构建系统发育树；通过KAAS、dbCAN3和MEROPS数据库进行功能注释；采用COUNT分析基因家族获得与丢失事件；运用r8s进行分化时间估算；并通过异源表达验证几丁质酶活性。样本来源于永乐蓝洞不同深度的海水，包括颗粒附着和自由生活微生物群落。

重新划分候选纲Cloacimonadia的分类

研究发现，候选门Cloacimonadota可明确划分为Clade A和Clade B两大分支。来自永乐蓝洞的6个MAGs全部归属于Clade B，它们与Clade A的代表基因组——Candidatus Cloacimonas acidaminovorans strain Evry的16S rRNA基因相似度仅为82.33%，可能代表一个新的物种，研究人员建议命名为Candidatus Celaenobacter longdongensis。

基因组特征与栖息地偏好

两大分支的基因组特征差异不大，但环境来源明显不同。Clade B主要分布于蓝洞、冷泉和半咸水等自然环境中，而Clade A则主要存在于厌氧消化器、废水和沼气发酵罐等人工环境中。这种栖息地差异可能驱动了两大分支在进化上的分化。

简化的呼吸机制

研究发现，Cloacimonadota门细菌编码的呼吸链并不完整，缺乏复合物I、II、III和IV的关键亚基。但它们拥有完整的Rnf电子传递复合体（rnfABCDEG），可能与ATP合酶共同构成简化的两步呼吸链系统。

特别值得注意的是，两大分支采用了不同的氢代谢策略：Clade B利用NiFe/MvhADG-HdrABC复合物，而Clade A使用Hnd/FeFe Group A3氢化酶复合物。这两种复合物都参与黄素基电子分叉（FBEB），这是除底物水平磷酸化和电子传递磷酸化之外的第三种能量守恒机制。

底物发酵能力

Cloacimonadota门细菌主要通过有机底物发酵获取能量。研究发现，与Clade A相比，Clade B（特别是蓝洞来源的MAGs）拥有更多与发酵底物相关的基因，表明它们能更有效地利用这些底物，这可能有助于它们适应蓝洞等营养有限的海洋环境。

大分子有机物降解能力

研究团队在碳水化合物活性酶（CAZyme）和肽酶分析中发现，两大分支具有明显不同的酶系特征。Clade B，特别是蓝洞来源的MAGs，拥有几丁质酶、α-半乳糖苷酶和葡聚糖酶等独特的降解酶。

为了验证这一发现，研究人员对MAG213-F140中的几丁质酶基因进行了异源表达，证实了该酶确实具有几丁质降解活性。这是首次在Cloacimonadota门细菌中实验验证了几丁质酶的功能活性。

转运蛋白与细胞包膜

研究还发现，Clade B编码磷酸甘油香叶基香叶基转移酶（K17104）、香叶基香叶基甘油磷酸香叶基香叶基转移酶（K17105）和二香叶基香叶基甘油磷脂还原酶（GGR）（K17830），这些酶具有生成混合古菌/细菌膜的潜在能力。而Clade A拥有铜转运蛋白CopA，这可能与其在厌氧消化器和废水处理系统中生长有关，这些环境中可能存在较高浓度的铜离子。

基因家族获得与丢失及分化时间

基因家族获得与丢失分析显示，Clade B的基因家族数量呈现明显上升趋势，特别是在蓝洞环境的MAGs中。这些获得的基因主要涉及CAZyme（如几丁质酶、α-半乳糖苷酶和葡聚糖酶）和细胞抗氧化功能相关蛋白（如谷氧还蛋白）。

分化时间分析表明，Cloacimonadota门大约在25.85亿年前作为一个独立的细菌门出现，并在约17.55亿年前分化为Clade A和Clade B。随着两大分支在不同环境条件下的进化，它们分别在大约14.72亿年前和10.49亿年前发生分化，基因组和代谢特征出现显著差异。大约在336万年前，Cloacimonadota门细菌进化出特别适应蓝洞无氧条件的特性，并在系统发育树中形成了一个独特的簇。这一时期对应于上新世，是海洋微生物群落蓬勃发展的时期。

研究结论表明，基于MAGs的系统发育和功能预测分析，研究人员将候选门Cloacimonadota内的候选纲Cloacimonadota基因组划分为Clade A和Clade B两个分支，并指定MAG213-F140作为Clade B的模式基因组。两大分支的大分子有机物降解和能量守恒与其各自的环境生态位密切相关。尽管两个分支都能够利用Rnf复合物和ATP合酶构建简单的电子传递链（ETC），但它们编码的ATP合酶和氢化酶类型明显不同。此外，来自蓝洞的MAGs表现出几个独特的特征，包括降解几丁质等复杂有机物的能力，这可能增强了其对蓝洞海洋缺氧环境的适应。基因的丢失和获得使Cloacimonadota进化为高效的异养微生物，Clade A和Clade B的成员采用不同的代谢策略来适应广阔的环境。时间分化分析揭示了Clade A和Clade B之间的进化分化时间。总的来说，这项研究增进了对Cloacimonadota的理解，并阐明了其在生物地球化学循环中的生态作用。

这项研究不仅揭示了Cloacimonadota门细菌的进化历史和代谢多样性，还为理解微生物在极端环境中的适应机制提供了新的视角。随着对这类"微生物暗物质"认识的深入，我们将能更好地理解它们在全球生物地球化学循环中的作用，为海洋资源的开发和利用提供科学依据。