利用新SAR11分离株基因组与全球海洋宏基因组解析Pelagibacterales细菌的生态相关单元

《Nature Communications》：New SAR11 isolate genomes and global marine metagenomes resolve ecologically relevant units within the Pelagibacterales

本研究针对海洋中最丰富的细菌类群SAR11（Pelagibacterales）生态与进化关系模糊的问题，通过高通量培养获得81个新分离株基因组，结合全球海洋宏基因组数据，构建了稳健的系统发育框架，揭示了29个单系且生态一致的类群，提出将SAR11划分为4个科和24个属的新分类系统，为理解海洋微生物的生态适应与进化提供了重要依据。

　　

在广阔的海洋表面，生活着一群被称为SAR11（Pelagibacterales）的微小细菌，它们是海洋中最成功的微生物之一，数量庞大到每升海水中就有数百万个细胞。这些微小的生命体在全球碳循环中扮演着关键角色，如同海洋中的"隐形工作者"，默默地将溶解的有机碳转化为二氧化碳，从而影响整个地球的气候系统。

然而，尽管SAR11细菌如此重要，科学家们对它们的了解却十分有限。过去三十多年间，自从通过环境16S rRNA基因片段首次发现SAR11以来，研究人员一直试图揭示这个神秘类群的真正面貌。但SAR11细菌极其难以培养，就像海洋中的"幽灵"一样，虽然无处不在，却难以捕捉。截至本研究之前，全球仅有28个高质量的SAR11分离株基因组可用，这对于理解这个高度多样化的类群来说远远不够。

更复杂的是，SAR11群体内部存在着惊人的遗传多样性。传统的物种界定方法，如95%的平均核苷酸一致性（gANI）阈值，在这个特殊的细菌类群中似乎并不适用。科学家们一直在思考：SAR11的多样性是如何组织的？是否存在具有明确生态功能的独立单元？这些问题困扰着海洋微生物学家多年，阻碍了对海洋生态系统功能的深入理解。

为了解开这些谜团，由Kelle C. Freel、Sarah J. Tucker等研究人员组成的国际团队在《Nature Communications》上发表了他们的最新研究成果。他们通过创新的高通量培养技术，从热带太平洋的夏威夷附近海域成功获得了81个新的SAR11菌株，将可用分离株基因组数量增加了三倍。结合这些新基因组与公开的375个单细胞扩增基因组（SAGs）和全球海洋宏基因组数据，研究团队构建了一个包含484个基因组的系统发育树，深入探索了SAR11的进化历史和生态分布。

研究人员采用了几项关键技术方法：通过稀释至灭绝培养技术从夏威夷凯恩湾及其邻近海域获取SAR11分离株；使用全基因组测序和组装获得高质量基因组；利用165个SAR11核心基因集进行系统发育基因组学分析；通过竞争性宏基因组读段招募评估全球分布模式；结合平均核苷酸一致性和生态分布数据界定分类单元。

八十一个从206个新分离的SAR11菌株和共培养物中测序获得的高质量基因组

研究团队在夏威夷欧胡岛附近的凯恩湾海域进行了三次稀释至灭绝培养实验，从2,102个接种培养物中获得了916个分离株。通过16S rRNA基因扩增子测序鉴定出206个为纯SAR11菌株或含有至少50% SAR11读段的混合培养物，最终测序并获得了81个新的高质量SAR11分离株基因组。这些基因组大小在1.00至1.54 Mbp之间，GC含量为28.5%至30.7%，中位 pairwise gANI值为81.8%，表明捕获了遗传多样的SAR11分离株。

广泛的基因组系统发育揭示了一个由密切相关的基因组簇组成的稳健进化骨架

研究人员构建了一个包含484个SAR11基因组的系统发育树，使用165个SAR11核心基因的蛋白质序列集。分析显示SAR11分支为四个深度分支的亚系：Pelagibacteraceae（历史亚群Ia和Ib）、Cosmipelagibacteraceae（II）、Fontibacteraceae（III）和Mesopelagibacteraceae（Ic）。在历史Ia/Ib亚群中，研究人员确定了24个单系簇，gANI值范围在84%至96%之间（平均92.1%±2.9%），其中12个簇包含分离株代表，8个包含来自热带太平洋的分离株。

来自表层海洋的全局读段招募揭示了SAR11中系统发育和生态型分化的广泛一致性

通过竞争性宏基因组读段招募分析，研究人员评估了268个SAR11基因组（在484个初始集合中以95% gANI去重复）在1,345个公共海洋宏基因组中的分布。SAR11基因组从整个宏基因组集合中招募了总读段的7.2%。检测模式显示，给定SAR11分支内的基因组簇在宏基因组中表现出显著的内部生态凝聚力（PERMANOVA, p<0.001）。基于SAR11群落检测模式的宏基因组聚类揭示了四个群落组：低纬度低多样性、高纬度低多样性、低纬度高多样性和沿海凯恩湾样品。许多SAR11基因组簇在这些群落组中存在差异分布。

提出的Pelagibacterales分类和命名

基于稳健的基因组系统发育、gANI指标和读段招募数据，研究团队提出了一个理性的Pelagibacterales分类和命名系统。他们将SAR11划分为四个科级单元，并主要在Pelagibacteraceae科内定义了24个属，这些属代表了具有凝聚遗传和生态特征的分支，并为每个属指定了模式种。这一分类系统的目标是确保SAR11的分类层次能够有用且易于处理地反映这个全球分布类群的生态和遗传多样性。

研究结论和讨论部分强调，通过将高通量培养实验与公共基因组和宏基因组数据相整合，本研究为解决SAR11的基因组和生态多样性如何划分为凝聚单元这一长期问题提供了关键见解。系统发育基因组学分析与全局宏基因组读段招募调查相结合，揭示了SAR11在相对精细的物种水平和较粗的属水平上都存在生态型分化。这一稳健的生态进化框架将Pelagibacterales目解析为四个科，并将Pelagibacteraceae科解析为24个属，建立了一个急需的分类框架，将SAR11多样性划分为易于处理的单元，为未来研究奠定了基础。

研究表明，SAR11系统发育与生态学之间存在紧密关系，生态型分化是Pelagibacterales内进化的普遍驱动力。有趣的是，具有相似生物地理分布模式的SAR11属往往位于系统发育树的远端部分，这一模式被称为系统发育过度分散，可能是由竞争排斥的力量驱动的。

研究还指出，基于95% ANI的物种界定实用方案与SAR11进化的性质并不完全吻合。虽然GTDB基于RED分数的分类框架将几乎所有SAR11基因组合并为两个属，但本研究中描述的SAR11生态相关单元与功能、进化和生态观察结果一致，突显了需要理解使SAR11与我们最佳实用方法不兼容的生物学驱动因素。

本研究依赖于81个新分离株基因组的贡献，这些基因组代表了沿海和全球海洋中丰富且生态相关的SAR11群体。基于生态学的这些基因组的层次组织使研究人员能够在此提出具有正式名称的SAR11属。同时，对功能决定因素的研究表征了支持属级单元划分的代谢能力和选择压力，而对这些属的生理、代谢和遗传因素的更深入理解将需要实验室中对分离菌株进行受控实验。本研究组织了已知SAR11多样性的生态进化特征，并为未来旨在组织和理解栖息于全球海洋的普遍存在的SAR11群体的努力提供了路线图。