海洋沉积物稀有生物圈中新发现的热原体门候选类群Penumbrarcaeia的广泛数据挖掘揭示其代谢多样性与生态适应性

本研究针对海洋沉积物稀有生物圈(rare biosphere)中未被充分认识的古菌类群，通过蛋白质富集培养结合大规模宏基因组数据挖掘，在热原体门(Thermoplasmatota)中发现并表征了新的候选类群Ca. Penumbrarcaeia。研究人员重建了35个中高质量宏基因组组装基因组(MAGs)，鉴定出3个新目和6个科，揭示该类群在有机质降解中的关键作用，其基因组含有最高比例的功能未知基因(平均26%)，为理解稀有微生物的环境适应机制和生态功能提供了新见解。

　　

海洋沉积物中存在着大量未被认知的微生物"暗物质"，其中稀有生物圈成员虽然丰度低却可能发挥关键生态功能。尤其令人困惑的是，占古菌多样性近半的未培养类群在有机质循环中的作用长期是个谜团。热原体门(Thermoplasmatota)作为广布于极端环境的古菌，其代谢潜力远未被充分发掘。更棘手的是，这些低丰度微生物存在"时空分布不连续"的特性——在特定时间和地点短暂出现后又消失，使得传统研究方法难以捕捉。

针对这些挑战，德国不来梅大学等机构的研究团队设计了一套创新策略：首先通过蛋白质富集培养从赫尔戈兰泥区(Helgoland mud area)沉积物中诱发出目标微生物，再结合大规模公共数据库挖掘，最终在《Microbiome》发表了突破性成果。研究的关键技术包括：1）建立含蛋白质和抗生素的富集培养体系（历时744天）；2）针对Ca. Penumbrarcaeia类群设计特异性qPCR引物；3）筛选11,479个基因组组装和8,287个宏基因组数据集；4）基于53个标记基因的系统发育分析和正交群(orthogroups)功能注释。

【高丰度检测】在蛋白质富集的第157天，16S rRNA基因测序显示Ca. Penumbrarcaeia相对丰度达90.4%，qPCR检测其基因拷贝数达1.2×10⁷/ml，而在未富集样本中低于检测限，首次证明该类群在天然环境中属于稀有生物圈成员。

【系统发育框架】通过数据挖掘获得35个MAGs（完整度80.3-97.9%），系统发育分析将其划分为4个目6个科，其中3个目为首次发现。RED（相对进化分歧）值和ANI/AAI分析支持该分类框架，核心基因组包含477个正交群。

【生态分布】竞争性映射分析显示该类群平均相对丰度仅0.031%，最高0.32%。不同科呈现明显生境偏好：1A科广布于海洋/湖泊沉积物和热液喷口；2科专性分布于波罗的海沉积物；3A和4科则局限在氧最小区(OMZ)水体。

【代谢特征】所有MAGs均编码氨基酸降解途径基因（por、ior、kor等）。沉积物来源的1A、1B和2科还含有胞外肽酶（C11A、M14B、S08A家族），暗示蛋白质降解能力。β-氧化途径基因（ACADS、fadB等）存在于2、3A和4科，3A科独有的Wood-Ljungdahl途径提示混合营养潜力。

【基因 novelty】该类群含有热原体门中最高的功能未知基因比例（最高达63%）。AGNOSTOS分析显示14-29%为"基因组未知"，0.24-17%为"环境未知"。Wagner简约性重建表明这些基因多为新获得而非垂直遗传。

这项研究通过"靶向富集+数据挖掘"的创新策略，揭示了Ca. Penumbrarcaeia类群的三重生态意义：1）作为碳循环"清道夫"，在富有机质的缺氧生境降解蛋白质和脂肪酸；2）作为"基因库"储存大量功能未知基因，可能参与环境适应；3）其分布模式印证了稀有生物圈的"种子库"假说。特别值得注意的是，该类群与人类活动环境（如波罗的海砷污染区）的关联，为研究微生物抗性基因的起源提供了新线索。方法论上，研究展示了如何利用公共数据库挖掘稀有类群，为探索微生物"暗物质"树立了新范式。