揭秘酸矿排水沉积物中 CPR 和 DPANN 的生物地理分布与生态功能：解锁微生物暗物质的奥秘

本文聚焦酸矿排水（AMD）沉积物中候选门辐射（CPR）细菌和 DPANN 古菌。通过对 90 个样本的宏基因组测序，揭示其生物地理模式受地理距离、pH 和 Fe 等影响，代谢功能有差异，还预测了宿主及相互作用，为理解微生物生态提供新视角。

　　

研究背景

在自然环境基因组探索中，候选门辐射（CPR）细菌和 DPANN 古菌作为重要的原核生物类群被发现。它们广泛分布于多种生境，细胞和基因组小，生物合成能力有限，可能营共生生活。虽然其在生物地球化学循环中有潜在作用，但在大规模生态分布和驱动因素方面研究较少。酸矿排水（AMD）是由采矿活动引发的环境问题，其中微生物受极端环境压力影响，群落多样性低，是研究微生物进化和生态的理想对象。本研究对中国东南部 90 个 AMD 沉积物样本进行宏基因组测序，旨在探究 CPR 和 DPANN 在 AMD 环境中的生物地理和生态功能。

研究方法

1. 样本采集与处理：2017 年 8 - 10 月，从中国东南部 18 个矿区分层采集 AMD 沉积物样本，一部分用于提取 DNA，另一部分用于理化性质测定。
2. 测序与基因组组装：使用 Illumina MiSeq 平台进行双端测序，产生约 7 Tb 原始数据。经质量过滤和修剪后，用 SPAdes 软件组装，多种工具分箱并优化，获得 2625 个宏基因组组装基因组（MAGs）。
3. 基因组注释与分析：用 GTDB - Tk 分类，CheckM 评估基因组完整性和污染度，Prodigal 预测基因。利用多种工具分析代谢基因、次生代谢产物生物合成基因簇（BGCs）等。
4. 系统发育分析：将本研究与数据库中的 CPR 和 DPANN 基因组核糖体蛋白串联，经多步处理构建系统发育树。对关键铁还原基因 Ndh2 也进行类似分析并检测水平基因转移（HGT）。
5. 统计分析与宿主预测：用 R 语言多种包进行统计分析，包括 LEfSe 分析、方差分解分析（VPA）等。基于共丰度模式和代谢模型预测宿主及代谢交换。

研究结果

1. CPR 和 DPANN 的丰度与多样性：从 90 个 AMD 沉积物样本中鉴定出 282 个 CPR 和 189 个 DPANN MAGs。它们基因组小，DPANN 基因组更大但 CPR 基因组完整性更高。两者在群落中相对丰度分别为 0% - 28.6% 和 0% - 31.2%，在不同矿区占优势的类群不同。还发现多个新分类单元，表明 AMD 沉积物是 CPR 和 DPANN 的多样性热点。
2. 生物地理模式：VPA 显示地理距离对 CPR（37.1%）和 DPANN（44.4%）群落变异贡献最大，其次是理化变量。距离衰减关系表明群落相似性随地理距离增加而降低。Pearson 相关和部分 Mantel 检验表明，pH、Fe 等理化因素与 CPR 和 DPANN 组成相关，气候因素也有一定影响。
3. 代谢潜力与差异：CPR 和 DPANN 基因组中参与甲烷、C1、碳固定、氮硫循环的基因少，富含复杂碳降解、发酵和铁还原基因。LEfSe 分析显示，CPR 在 F 型 ATP 酶、复杂碳降解和几丁质降解功能上富集，DPANN 在 V/A ATP 酶、发酵和乙酸生成功能上富集。CPR 编码更多种类的糖苷水解酶（GHs），在碳降解功能上更具潜力。此外，还鉴定出一些 BGCs，推测 CPR 可能参与甲烷代谢相关过程。
4. 宿主预测与相互作用：预测 CPR 宿主主要是酸杆菌门（Acidobacteriota）、拟杆菌门（Bacteroidota）和变形菌门（Proteobacteria），DPANN 宿主主要是热原体门（Thermoplasmatota）。两者主要从宿主获取氨基酸等，向宿主提供铁。DPANN 在维持微生物群落结构和功能上可能更重要，其网络连通性更强。
5. 铁还原的案例研究：CPR 和 DPANN 基因组中都有参与黄素介导的细胞外电子转移（EET）铁还原机制的基因。Ndh2 基因丰度与 AMD 沉积物中 Fe³⁺浓度显著负相关。系统发育分析显示 CPR 的 Ndh2 基因可能存在古老的 HGT 事件和潜在的跨域共生。

研究讨论

1. 生物地理模式的影响因素：本研究发现 CPR 和 DPANN 群落组成与地理距离密切相关，不同于以往 AMD 微生物群落研究结果，这可能是因为它们与宿主物理附着，限制了扩散能力。同时，pH 和铁等地球化学参数也影响其群落模式，这与 AMD 环境的极端特性有关。
2. 代谢功能与生态意义：CPR 和 DPANN 在碳循环中发挥作用，且两者代谢功能存在分化，这有助于它们在贫营养的 AMD 环境中避免资源竞争。它们基因组中参与其他生物地球化学循环的基因不完整，可能用于与宿主交换代谢中间产物。
3. 宿主预测与代谢相互作用：结合代谢模型和共丰度模式预测宿主，发现 CPR 和 DPANN 依赖宿主提供氨基酸等。本研究还发现了新的代谢交换化合物，拓展了对其与宿主相互作用的认识，但未考虑潜在的跨域共生。
4. 铁还原机制的意义：CPR 和 DPANN 虽未编码完整的 EET 基因，但可能具备这种独特的铁还原能力，这对理解 AMD 环境中的铁转化有重要意义，因为以往研究忽视了它们的这一能力。
5. 研究展望：未来研究可关注病毒对 CPR 和 DPANN 分布和动态的影响，以及它们代谢分化的适应性益处、进化过程等。AMD 沉积物可作为研究这些微生物生物学和生态学的模型。