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研究人员分析 202 个 Polaromonas 基因组，揭示其多样性、进化及适应策略，为理解极地微生物应对全球变暖提供依据。
在地球这个蓝色星球上，有这样一些神秘的地方，那里常年被冰雪覆盖，温度极低，这些地方被称为永久寒冷环境，占地球生物圈的 75%。在这些寒冷的区域，微生物面临着冰冻、干燥和高渗透压等重重挑战。然而，有一种神奇的微生物 ——Polaromonas（极地单胞菌属），却能在极地和高海拔等低温环境中顽强生存，并且成为优势菌群。
Polaromonas 的身影遍布各种低温环境，从南极的冰川到北极的冻土，都有它们活跃的踪迹。它们在生态系统中扮演着重要角色，既能作为异养微生物降解有机碳，也有部分菌株能进行化能自养生长，甚至还是关键的固氮微生物。但随着全球气候变暖，冰川退缩、冻土融化，这些变化对极地微生物产生了深远影响，Polaromonas 在其中如何响应，是否会释放更多温室气体，我们却知之甚少。
此前，虽然通过 16S rRNA 基因扩增子测序对 Polaromonas 的多样性和生物地理分布有了一定了解，但其在基因组水平的进化和冷适应机制仍是谜团。同时，微生物纯培养研究效率较低，难以涵盖环境中所有菌株的多样性，对其生态作用和潜在应用的认知也受到限制。为了揭开这些谜题，中国地质大学（武汉）等多所机构的研究人员开展了一项极具意义的研究，相关成果发表在《BMC Genomics》杂志上。
研究人员运用了多种技术方法。首先，从 NCBI 基因组组装数据库中获取了 249 个最初归类为 Polaromonas 的基因组，经重新分类和质量评估后，选取 86 个高质量基因组用于后续分析。其次，进行系统发育基因组分析，基于 120 个保守标记基因的串联氨基酸序列构建系统发育树，以确定菌株间的进化关系。再者，开展功能注释，将预测基因与多个数据库比对，全面了解基因组的代谢潜能。最后，选取 16 个非极地地区的近缘基因组作为参照，进行比较基因组学分析，探究极地菌株的基因组特征和适应机制 。
下面来看具体的研究结果：
- 全球分布：在分析的 202 个基因组中，176 个为环境宏基因组组装基因组（MAGs），26 个为纯培养全基因组测序结果。Polaromonas 分布广泛，从南极的安弗斯岛到北极地区，再到非极地地区都有发现，其中 29 个基因组来自高纬度地区，166 个来自非极地地区。
- 分类和系统发育：所有 Polaromonas 基因组构成一个单系分支，与最接近的姐妹分支（Rhodoferax）距离较远。根据系统发育位置和平均核苷酸同一性（ANI）值，202 个基因组被重新分类为 121 个不同物种。8 个来自极地地区的基因组聚类形成一个独特分支，其中又可细分为 5 个不同物种 。
- 传播和进化历史：基于系统发育基因组分析，揭示了两种可能的进化场景。第一种场景中，8 个极地基因组聚在一起，为最新的谱系，可能是一次单一的定植事件后在极地环境中多样化发展；第二种场景中，部分北极来源的基因组分散在非极地带状分支中，表明多次非极地 - 极地的转变平行发生 。
- 基因组比较：极地基因组的大小范围为 4.15 - 5.28 Mb，平均约 4.45 Mb，非极地基因组平均为 3.94 Mb。极地基因组的编码密度更高，碳代谢途径更多，平均有 116 条，而非极地组为 107 条 。
- 代谢功能：所有基因组都包含保守的中心碳代谢途径，极地基因组编码碳水化合物活性酶（CAZymes）的基因数量更多，如编码糖基转移酶（GTs）和糖苷水解酶（GHs）的基因。此外，极地基因组中与肽代谢相关的基因也更丰富 。
- 适应极端寒冷条件：极地基因组中与甜菜碱合成（betA、betB）和转运（proX、proW、proV）相关的基因丰度显著增加，而其他一些冷应激基因，如编码冷休克蛋白（cspA）的基因在大多数基因组中缺失，海藻糖合成和转运相关基因在两组间无显著差异 。
综合来看，这项研究意义重大。一方面，研究发现了适应寒冷极地环境的 Polaromonas 单系分支，其基因组具有独特特征，为深入理解极地微生物的生命奥秘提供了新视角。另一方面，研究进一步验证了甜菜碱等相容性溶质在微生物适应极端寒冷环境中的重要作用。但目前对 Polaromonas 在寒冷环境中的传播和进化历史了解仍有限，未来还需要更多研究来深入探索。随着极地地区气候变暖加剧，后续研究有望揭示 Polaromonas 对气候变化的响应机制，为预测极地生态系统变化提供科学依据。
