基于单菌株分辨率宏基因组学解析工程化厌氧生态系统中遗传适应与微生物动态的协同演化机制

本研究通过单菌株分辨率宏基因组学技术，首次系统追踪了二氧化碳(CO2)固定厌氧微生物群在一年期实验室适应性进化(ALE)中的遗传动态。研究团队发现甲烷杆菌属(Methanothermobacter)菌株通过mer和mcrB基因的氨基酸精细调控驱动种群更替，揭示了饥饿胁迫与气体周转率对产甲烷效率的进化选择压力，为优化碳生物转化系统提供了关键靶点。

　　

在应对全球碳中和挑战的背景下，如何高效利用微生物将二氧化碳转化为甲烷(CH₄)成为研究热点。然而，现有研究多聚焦于微生物群落组成变化，对菌株水平遗传适应机制的认识仍存在巨大空白。更关键的是，工程化厌氧生态系统中微生物如何响应环境压力实现CO₂固定效率的动态调控，这一科学问题尚未得到系统解答。

意大利帕多瓦大学生物学系的研究人员通过创新性地结合长期适应性进化和单菌株分辨率宏基因组学技术，在《Cell Genomics》发表了突破性研究成果。研究团队构建了两个填充不同载体材料的滴滤床反应器(TBR)，在415天的实验中模拟了气体滞留时间(GRT)梯度变化和间歇性饥饿胁迫条件。通过40个时间点的深度测序分析，首次揭示了厌氧微生物组在工程系统中的菌株水平演化规律。

研究采用三大关键技术：1) 多时间点采样策略覆盖连续操作、恢复期和间歇饥饿三阶段；2) 330个中高质量宏基因组组装基因组(MAGs)的共组装与SNV追踪；3) 创新性变异分型方法解析单核苷酸变异(SNV)动态。样本来源于反应器液相和生物膜相，通过覆盖度>50%的严格筛选确保数据可靠性。

微生物群落分层特征

通过95%平均核苷酸相似度聚类获得26个优势物种MAGs，其中甲烷杆菌属(M. marburgensis GRT2.8和M. thermoautotrophicus GRT1.1)占据主导地位。值得注意的是，塑料载体反应器中M. marburgensis的核苷酸多样性显著低于活性炭系统(p=2.2e-06)，揭示载体材料对菌株适应的关键影响。

菌株水平动态解析

研究检测到318,284个高置信度SNVs，发现两个甲烷杆菌属呈现截然不同的演化模式：M. thermoautotrophicus经历包含5,000个SNVs的菌株替代事件，而M. marburgensis则通过1,600个SNVs的渐进式适应维持种群优势。在1周饥饿期后，21%的SNVs在M. thermoautotrophicus种群中固定(f>0.6)，显著高于细菌种群14%的保留率。

自然选择作用机制

dN/dS分析显示M. thermoautotrophicus中11个产甲烷相关基因受正向选择，包括甲基转移酶复合体基因mtrG(dN/dS>1)。3D结构预测表明，McrB亚基K283T/K285N/S346G突变降低了底物结合位点的空间位阻，而Mer蛋白E52V突变通过增加a2螺旋疏水性促进四聚体形成。这些发现通过AlphaFold结构预测和Grantham距离分析(Gd=121)得到验证。

讨论与意义

该研究建立了工程化厌氧系统中菌株水平适应的分析范式，证明环境压力会驱动关键代谢酶(如Mer和Mcr)的微调进化。特别值得注意的是，气体周转率变化引发的选择压力比底物饥饿更具决定性，这为优化生物甲烷生产工艺提供了新思路——通过定向调控操作参数而非引入外源菌株即可提升系统稳定性。研究揭示的mer/mcrB基因适应性突变图谱，为合成微生物组的设计构建提供了分子靶点。

这项工作的创新性在于将生态位理论拓展至菌株水平，证明相同物种的不同单倍型可通过代谢分工实现长期共存。未来研究可进一步整合转录组学和代谢流分析，揭示遗传适应与功能调控的耦合机制。该成果对发展可持续碳循环技术具有重要指导价值，相关方法学框架也可推广至其他工程微生物系统的优化研究。