Candidatus Methanovorans（ANME-3）古菌厌氧甲烷氧化关键进化步骤的鉴定及其全球代谢意义

为解决ANME（厌氧甲烷氧化古菌）多源进化机制不清的问题，研究人员通过比较基因组学分析了新近演化但研究不足的ANME-3分支“Candidatus Methanovorans”，发现其通过水平基因转移获得hdrA同源基因、碳/能量代谢基因趋同进化等关键步骤，揭示了从产甲烷向甲烷氧化的过渡机制，为理解全球碳循环和微生物代谢创新提供新视角。

　　

甲烷是温室效应的主要贡献者之一，而海洋环境贡献了全球约25%的甲烷排放。幸运的是，自然界中存在一类神奇的微生物——厌氧甲烷氧化古菌（ANME），它们能消耗30%的全球甲烷产量，相当于给地球装了一个“甲烷刹车”。然而，这些微生物如何从产甲烷菌（methanogens）演化出氧化甲烷的能力，一直是未解之谜。更复杂的是，ANME并非单一演化分支，而是多支独立起源的混合群体，其中ANME-3分支“Candidatus Methanovorans”（简称Methanovorans）因与产甲烷菌亲缘关系最近，成为研究这一进化过渡的“活化石”。

为了揭开这个谜团，研究人员对21个Methanovorans基因组（来自至少7个地理区域）进行了深度分析。通过比较基因组学、系统发育分析和功能注释，他们发现这些微生物的进化历程如同一场精妙的“基因改造工程”：既有老房子的拆除（甲基营养型产甲烷通路基因的丢失），也有新房间的扩建（水平获得多血红素细胞色素等ANME特征基因），还有旧家具的翻新（甲基辅酶M还原酶MCR的趋同进化）。这项研究发表在《SCIENCE ADVANCES》上，不仅描绘了微生物代谢创新的动态过程，还为理解甲烷循环的微生物调控提供了分子蓝图。

关键技术方法包括：从全球多个甲烷渗漏点（如哥斯达黎加Jaco Scar热液区）采集样本并完成宏基因组测序；利用SPAdes和Anvi’o平台组装21个Methanovorans宏基因组组装基因组（MAGs）；通过GTDB-tk和PyANI进行物种分类；采用RAxML/IQ-TREE构建系统发育树；运用HyPhy检测正选择信号；结合AlphaFold 2预测蛋白结构。

【甲基营养型产甲烷在多数Methanovorans中缺失】
研究发现，尽管所有Methanovorans都起源于具有甲基胺代谢能力的祖先，但11个物种中仅3个保留部分吡咯赖氨酸合成通路基因，且终止密码子使用模式表明这些基因可能已失活。这支持了从产甲烷向甲烷氧化的代谢转型假说。

【Methanovorans的MCR显示正选择信号】
甲基辅酶M还原酶（MCR）是甲烷氧化的“启动钥匙”。系统发育分析显示，Methanovorans的McrABG亚基位于ANME-2与产甲烷菌之间的进化过渡位置，且存在ANME特异的保守残基（3.3个/千碱基，显著高于背景值）。HyPhy分析证实这些亚基在Methanovorans分化时经历了正选择。

【Rhodobacter固氮复合体在Methanovorans中被改造】
能量守恒的RNF复合体在Methanovorans中呈现“混搭”特征：离子转运亚基（RnfADE）保留产甲烷菌特征，而电子传递亚基（RnfBCG）更接近ANME-2。多血红素细胞色素MmcA的亚铁血红素结合基序（CIDCH）在ANME中高度保守，暗示电子传递路径的协同进化。

【Methanovorans编码ANME样和产甲烷菌样HdrA】
可溶性异二硫化物还原酶HdrA的同源基因分析发现，Methanovorans同时保留垂直遗传的产甲烷菌型基因簇（如簇0961、1474）和水平获得的ANME型基因簇（如簇1349、1388），后者可能通过电子分叉/汇聚机制优化能量代谢。

【大型多血红素细胞色素和收缩注射系统的水平获得】
与电子传递相关的多血红素细胞色素（MHC-A/B/C/D）和介导种间互作的收缩注射系统（CIS）在Methanovorans中呈现地理特异性分布。例如，Scotian Basin种群独立获得与ANME-2相似的固氮酶基因，而Jaco Scar种群则特有磷酸酯代谢的C-P裂解酶系统，反映局部环境适应的“基因工具箱”策略。

研究结论指出，Methanovorans的进化并非一蹴而就，而是经历三个阶段：早期通过MCR和RNF的趋同进化重塑核心代谢；中期水平获得电子传递元件（如MHC）；后期因地制宣获取辅助功能模块（如CIS）。这种“先内核改造，再外设升级”的模式，为理解微生物代谢创新提供了范式。尤其值得注意的是，ANME与硫酸盐还原菌（SRB）的共生关系可能晚于甲烷氧化能力的获得，暗示早期Methanovorans或许能独立利用金属氧化物作为电子受体。

这项研究不仅填补了ANME进化机制的空白，其发现的趋同进化靶点（如MCR特异残基、MmcA血红素结合域）还为合成生物学改造产甲烷菌提供了分子标尺。未来通过异源表达这些关键基因，或将实现“人工ANME”的构建，为甲烷减排开辟新路径。