利用环境质体基因组鉴定藻类深部分支教揭示质体演化新线索

《Nature Communications》：Identification of a deep-branching lineage of algae using environmental plastid genomes

本研究针对海洋藻类质体基因组多样性认知不足及深部分支教演化地位不明的问题，通过系统分析Tara Oceans宏基因组数据，构建了包含660个非冗余环境质体基因组(ptMAGs)的资源库，并发现了一个新的深部分支教——瘦藻门(leptophytes)。该研究结合比较基因组学和细胞器系统基因组学分析，提出瘦藻门质体与定鞭藻门(haptophytes)和隐藻门(cryptophytes)形成CHL类群，并推测隐藻门可能从定鞭藻门祖先获得质体的新模型，为理解复杂红色质体的多次内共生事件提供了重要证据。

　　

在广阔的海洋中，微小的藻类扮演着不容忽视的角色，它们通过光合作用贡献了近40%的全球初级生产力，是海洋食物网的基础。然而，我们对这些海洋"森林"的多样性及其演化历史的了解仍相当有限。藻类并非一个单一类群，它们散布在真核生物树的多个超类群中，这种分布格局源于复杂且尚未完全解析的内共生历史。一次原始内共生事件使蓝细菌整合入宿主细胞，形成了原始质体，诞生了包括红藻、绿藻（及陆地植物）在内的古质体生物(Archaeplastida)。随后，通过进一步的内共生事件，质体从红藻和绿藻转移至无关的真核生物类群，使得光合能力在真核生物树上广泛传播。其中，源于红藻的复杂质体的演化历史尤为扑朔迷离，尽管含有这类质体的藻类（如硅藻、甲藻和颗石藻）在现代海洋生态中举足轻重，但关于其起源和传播途径的假说众多，缺乏共识和确凿证据。

一个关键的挑战在于，目前对藻类质体基因组的认知大多来源于培养物种，这严重低估了环境中真实的多样性。许多重要的藻类类群，如丰度很高且常形成水华的定鞭藻门，其质体基因组数据极为匮乏。更令人好奇的是，环境中还存在一些所谓的"深部分支教"质体，它们不属于任何已知藻类，例如仅凭16S rDNA序列已知的神秘类群DPL1和DPL2，其细胞形态和基因组特征一直是个谜。

为了填补这一空白，由Mahwash Jamy、Fabien Burki和Tom O. Delmont等领导的研究团队在《Nature Communications》上发表了他们的最新成果。他们利用全球范围的Tara Oceans海洋考察所产生的大量宏基因组数据，进行了一项系统发育指导的、质体基因组分辨的宏基因组学调查。这项研究的目标是构建一个全面的环境质体基因组资源，以更清晰地揭示海洋浮游藻类的多样性，并探寻那些隐藏的、可能改写我们对质体演化认知的新类群。

研究人员主要运用了以下几种关键技术方法：首先，他们对Tara Oceans考察获得的2800亿条宏基因组读长进行了系统分析，利用基于RNA聚合酶B亚基(RNApolB)基因的系统发育指导方法，从11个大型宏基因组共组装中手动筛选和鉴定了质体宏基因组组装基因组(ptMAGs)。其次，他们通过计算平均核苷酸一致性(ANI>98%)去冗余，最终建立了一个包含660个新的非冗余ptMAGs和166个参考质体基因组的数据库。再者，为了解析新发现类群的系统发育地位，他们构建了包含93个质体编码基因的数据集，并采用了多种复杂的位点异质性模型（如CAT+GTR+G4, LG+MEOW80+G4）进行贝叶斯和最大似然法系统发育分析。此外，通过比较基因组学分析基因含量，并利用覆盖度相关性分析和系统发育学方法，从特定样本的共组装中搜寻并鉴定了可能与新质体类群对应的线粒体基因组(mtMAG)。研究还利用了来自mOTUs数据库的额外宏基因组资源来补充ptMAGs的收集。

研究结果

一个来自透光层海洋的大型环境质体基因组资源

研究人员成功构建了一个包含660个新非冗余ptMAGs的数据库，极大地扩展了主要藻类类群内部的质体基因组多样性，其中许多ptMAGs代表了缺乏近缘参考基因组的深部分支。这些ptMAGs平均完整度为62.9%，平均大小为65.7 kbp，编码多达168个基因。它们在透光层海洋中的丰度远高于培养物种的代表性基因组，更真实地反映了浮游藻类的环境丰度。基于93个质体基因的系统发育分析清晰地恢复了所有主要藻类类群，ptMAGs分布于大多数类群中，特别是显著扩充了硅藻等ochrophytes（375个）和定鞭藻门（196个）的质体基因组多样性。

瘦藻门：一个新的深部分支教质体类群

研究中的一个突出发现是四个源于红藻的ptMAGs形成了一个高支持度的深部分支类群，该群与所有已知的具有复杂红色质体的主要类群（定鞭藻门、隐藻门、ochrophytes和myzozoans）相关但截然不同。研究人员将其非正式命名为"瘦藻门"(leptophytes)，意指其细胞可能很小（<5μm）。瘦藻门在全球大多数海盆的表层水体中均有检测，但通常丰度较低。然而，在北极的某些站点，其中一个ptMAG（Lepto-01）丰度很高，表明其在特定条件下可以局部增殖。值得注意的是，从ptMAGs中恢复的16S rDNA基因片段显示，瘦藻门与神秘的DPL2质体类群高度相似，其中Lepto-04的16S rDNA与DPL2序列100%相同，从而首次为DPL2提供了基因组数据，并揭示瘦藻门是一个比DPL2更具多样性、分布更广的类群。Lepto-01是一个近乎完整的质体基因组（104,203 bp），包含144个基因，功能分析表明它是一个具有完整光合作用能力的质体。

瘦藻门质体与定鞭藻门和隐藻门具有系统发育亲缘关系

为了精确确定瘦藻门质体的演化地位，研究人员使用包含107个类群的简化数据集进行了多种复杂系统发育模型的分析。所有分析均一致表明，瘦藻门质体与定鞭藻门和隐藻门质体构成一个单系群，即CHL类群（Cryptophytes-Haptophytes-Leptophytes）。这一关系也得到了三者质体基因组中共享的、通过水平基因转移获得的细菌源rpl36-c型核糖体蛋白基因的支持。然而，瘦藻门在CHL类群内部的精确位置存在不确定性：一些模型支持瘦藻门是定鞭藻门和隐藻门的姐妹群（HC-sister拓扑），而另一些在考虑了氨基酸组成异质性后，则支持瘦藻门与定鞭藻门构成姐妹群（H-sister拓扑）。这种模糊性可能源于CHL类群早期分化的古老性和短时间内发生的连续 speciation 事件。

一个线粒体基因组将瘦藻门宿主定位为定鞭藻门的姐妹群

质体基因组因其复杂的内共生历史未必能反映宿主细胞的演化轨迹。为了寻找瘦藻门宿主的证据，研究人员从Lepto-01高丰度的北极样本中进行了针对性共组装，并从中识别出34个线粒体contigs (mtMAGs)。其中一个mtMAG (Lepto-01_mtMAG_004) 与Lepto-01 ptMAG的读长覆盖度呈现出高度显著的正相关（R²= 0.96）。更重要的是，该系统发育分析强烈支持该mtMAG与定鞭藻门线粒体基因组构成姐妹群（UFB=100%, PP=1.0）。基于丰度相关性和系统发育位置，研究人员推断该线粒体基因组属于瘦藻门宿主，并表明瘦藻门宿主在真核生物树上与定鞭藻门关系最近。

研究结论与意义

这项研究首次在全局尺度上利用环境宏基因组数据大规模重建质体基因组，证明了基因组分辨宏基因组学是探索隐藏细胞器多样性的强大工具。所构建的ptMAGs资源库极大地扩展了我们对海洋藻类质体多样性的认知，并能够填补已知类群内的演化空白。

其中最引人注目的发现是瘦藻门，一个全球分布但通常稀有的深部分支教。其质体基因组的确认为神秘的DPL2环境序列提供了基因组学身份，并揭示了该类群比预想的更为多样和广泛。系统发育分析明确将瘦藻门质体置于与定鞭藻门和隐藻门相关的CHL类群中。

研究的关键进展在于成功鉴定了一个推测属于瘦藻门的线粒体基因组，它将瘦藻门宿主牢固地定位为定鞭藻门的姐妹群。这一宿主系统发育关系与质体系统发育的模糊性相结合，促使研究人员提出了两个竞争性的模型来解释CHL类群内复杂红色质体的演化：（1）若瘦藻门质体是定鞭藻门的姐妹（H-sister模型），则瘦藻门和定鞭藻门可能从一个共同的祖先那里通过三次内共生从隐藻门获得了质体（包括rpl36-c基因）；（2）若瘦藻门质体是定鞭藻门和隐藻门的姐妹（HC-sister模型），则二次内共生事件可能发生在瘦藻门和定鞭藻门共同祖先与红藻之间，随后该质体从一个干系定鞭藻门转移给了隐藻门（三次内共生）。后一个模型首次提出定鞭藻门祖先可能是二次内共生的宿主，这与分子钟推断的定鞭藻门比隐藻门起源更早相符。研究人员指出，H-sister模型所需的平行基因丢失事件更少，可能更具简约性。

总之，这项研究揭示了海洋稀有生物圈中隐藏着理解质体演化史的关键线索。它展示了不依赖于培养的细胞器基因组学方法在揭示微生物真核生物深层演化关系方面的巨大潜力。未来对瘦藻门核基因组及其可能存在的核形体的表征，将是检验上述模型、最终厘清复杂红色质体起源和传播路径的关键。