系统发育调和支持古菌的产甲烷祖先以及宿主相关谱系的衍生起源

《Nature Communications》：Phylogenetic reconciliation supports a methanogenic ancestor of the Archaea and a derived origin for host-associated lineages

　　

古菌的系统发育（phylogeny）随着新类群的发现和系统发育方法的改进而不断被重新审视和修订，但其早期进化的关键问题仍未解决。已有研究表明，古菌的根（root）可能位于三个主要类群——Euryarchaeota、TACK+Asgard分支和DPANN中的任何一个或其内部，其中DPANN包含许多宿主相关和基因组缩减的谱系。这些根假说对早期古菌进化的性质做出了截然不同的预测：例如，根在DPANN上或内部可能暗示一个具有小基因组和宿主相关特征的祖先，而产甲烷作用（methanogenesis，古菌的标志性代谢）则在之后进化。研究人员使用一系列系统发育方法，包括最佳可用位点和分支异质性替代模型（site- and branch-heterogeneous substitution models），以及新的基因树-物种树调和模型（gene tree-species tree reconciliation models，这些模型捕捉了基因重复、丢失和转移速率在系统发育中的变化），研究了古菌根的位置和最后古菌共同祖先（Last Archaeal Common Ancestor, LACA）的性质。我们的分析结果集中在Euryarchaeota基部或附近的一个狭窄古菌根区域，支持了LACA是一个复杂、自由生活的（超）嗜热产甲烷菌（(hyper-)thermophilic methanogen）的假说。研究人员恢复了DPANN作为TACK和Asgard古菌的姐妹群（sister group），并认为它们的基因组进化以基因丢失和转移驱动的基因组精简（streamlining）和扩张（expansion）事件为特征。

**论文解读：古菌系统发育根的位置与最后共同祖先的代谢重建**

**研究背景与问题**
古菌（Archaea）是生命之树的三大域之一，其早期进化历程长期存在争议。随着环境基因组学的发展，大量新类群被发掘，尤其是DPANN（Diapherotrites, Parvarchaeota, Aenigmarchaeota, Nanoarchaeota, Nanohaloarchaeota）和Asgard古菌，使得古菌系统发育不断被修订。然而，关于古菌根（root）的位置——即最后古菌共同祖先（Last Archaeal Common Ancestor, LACA）所在分支——存在多个相互竞争的假说：根可能位于Euryarchaeota、TACK+Asgard分支或DPANN的基部或内部。这些假说对早期古菌的性质预测截然不同。例如，若根在DPANN内，则LACA可能是一个小基因组、宿主相关的简单生物，而产甲烷作用（methanogenesis）则在之后进化；若根在Euryarchaeota基部，则LACA可能是一个复杂、自由生活的（超）嗜热产甲烷菌。厘清这一问题是理解古菌代谢进化、基因组演化以及宿主共生起源的关键。

**研究内容与结论**
研究人员整合了257个高质量古菌基因组和103个细菌基因组，采用多种先进系统发育方法，包括位点异质性替代模型（site-heterogeneous substitution model, LG+C60+F+R）、非可逆模型（non-reversible model, NONREV+R10）、非平稳模型（non-stationary model, GFmix），以及新开发的基因树-物种树调和模型（gene tree-species tree reconciliation model, AleRax中的分支异质性DTL模型）。通过分析45个垂直进化的标记基因和7059个arCOG（archaeal Cluster of Orthologous Groups）基因家族，研究人员得出以下核心结论：1）古菌根位于Euryarchaeota基部或其附近，排除了DPANN根和TACK+Asgard根等假说；2）LACA是一个复杂、自由生活的（超）嗜热产甲烷菌，具有完整的产甲烷途径（Wood-Ljungdahl pathway, WLP）和甲基辅酶M还原酶（methyl-coenzyme M reductase, M(A)cr）；3）DPANN是TACK+Asgard的姐妹群，其祖先为自由生活型，基因组进化经历了多次精简和扩张，主要由基因丢失和转移驱动。该研究发表在《Nature Communications》上，为古菌早期进化提供了关键证据。

**主要关键技术方法**
研究人员使用了以下主要方法（忽略具体试剂和培养步骤，样本来源见原文）：1）系统发育推断：基于45个垂直进化标记基因的串联比对，使用IQ-TREE 2进行最大似然分析，采用位点异质性模型（LG+C60+F+R）和贝叶斯信息准则（BIC）选择最佳模型；2）根推断：通过外群根（103个细菌）、非可逆模型（NONREV+R10）和非平稳模型（GFmix）评估多种根假说，并使用近似无偏检验（AU test）比较适配度；3）基因树-物种树调和：利用AleRax软件，对7059个arCOG基因家族进行调和分析，采用分支异质性DTL模型（DTL_br2，允许不同谱系具有独立的基因重复、转移和丢失速率），并基于贝叶斯信息准则（BIC）选择最佳模型；4）祖先基因组重建：基于调和模型推断LACA和DPANN祖先的基因含量，并利用回归分析估算基因组大小，通过COaLA模型（CoaLA substitution model）和氨基酸组成与最适生长温度（OGT）的相关性推断古菌祖先的温度偏好。样本来源于NCBI数据库，经过GTDB分类和CheckM2质检筛选。

**研究结果**
**1. 外群根对古菌根的分辨力有限**
通过25个垂直进化标记构建细菌-古菌联合树，最大似然树支持DPANN根（93.3% ultrafast bootstrap），但AU检验表明，包括DPANN根、TACK+Asgard根、Euryarchaeota根在内的多种根假说在统计上无法区分，说明外群根方法对该数据集的分辨力不足。

**2. 未根古菌物种树的推断**
基于45个标记基因在LG+C60+F+R模型下构建的未根树，恢复了Euryarchaeota、TACK+Asgard和DPANN三个主要分支的单系性（clanhood），支持度接近100%。通过逐步去除组成偏倚位点、降采样至53个代表物种以及使用Astral-Pro 3总结所有基因树，均得到高度一致的拓扑结构，表明关键特征不受组成偏倚或采样不平衡影响。

**3. 非可逆和非平稳模型支持Euryarchaeota内的根**
非可逆模型（NONREV+R10）下，最优根位于Korarchaeota（根支撑42.8%），但AU检验显示多种根假说不可拒绝。非平稳模型（GFmix）分析中，Halobacteriota+Thermoplasmatota根具有最高似然值，且AU检验拒绝其他所有根假说（P<0.05），包括TACK+Asgard根，表明根位于Euryarchaeota内部。

**4. 分支异质性调和模型改进古菌基因家族进化建模**
使用全局速率（global DTL）调和模型分析7059个基因家族，支持DPANN Cluster 2根，但进一步分析表明该结果受“小基因组吸引”（SGA）假象影响，主要来自低物种数、偏科分布的家系。当为DPANN谱系单独估计丢失速率（DPANN-specific loss rate）后，模型拟合显著改善（BIC: 3,284,636.6），且根支持范围扩大至Euryarchaeota根和TACK+Asgard根。

**5. 最佳拟合调和模型支持Euryarchaeota基部或其附近的根**
在72参数分支异质性模型（DTL_br2，每个主要谱系具有独立的D、T、L速率）下，AU检验仅未拒绝Euryarchaeota根和MHH根（Methanobacteriota_A/B, Hydrothermarchaeota, Hadarchaeota组成的分支），两者均位于Euryarchaeota基部附近。进一步增加模型复杂度（81参数）后，BIC略有改善，最优根移至Euryarchaeota分支，但支撑家系分布不均。保守结论为Euryarchaeota根和MHH根是调和分析的最佳支持根。

**6. 古菌基因组进化动态**
在72参数模型下，研究人员推断基因家族进化以垂直传递为主（平均垂直性79%），但基因转移频率显著高于重复（平均高10.87-11.18倍）。Asgard古菌的重复速率显著高于其他类群，表明其真核生物样重复倾向在真核生物起源前已开始发展。DPANN谱系（尤其是Cluster 2）的基因丢失和转移速率显著高于其他古菌，与其基因组精简和宿主依赖一致。

**7. LACA是（超）嗜热产甲烷菌**
祖先基因组重建显示，LACA的基因组大小约为1.58-2.06 Mb，编码800-1709个arCOG基因家族。LACA具有完整的Wood-Ljungdahl途径（WLP）的甲基支和羰基支、甲基辅酶M还原酶（M(A)cr）复合体、多种辅酶（辅酶F430、F420、B、M等）生物合成基因，以及[NiFe]-氢化酶（group 3c和group 4），支持其以H₂/CO₂或甲基化合物进行产甲烷作用。此外，LACA还编码反向旋转酶（reverse gyrase，一种嗜热标志蛋白），最适生长温度（OGT）估计为78-79°C，表明其为（超）嗜热生物。

**8. DPANN祖先为自由生活生物**
DPANN共同祖先（LDCA）的基因组大小约为1.32-1.68 Mb，编码546-1152个arCOG家族，具有脂质、核苷酸、维生素和氨基酸生物合成途径，以及WLP的大部分基因，表明其为自由生活型。DPANN Cluster 2在进化过程中经历了集中的基因丢失，包括WLP、RuMP途径、维生素和氨基酸合成等，导致宿主依赖增强。但部分Woesearchaeales和Pacearchaeales谱系则发生了基因组扩张，涉及ATP合成酶重获和转录调控因子获取。

**讨论与结论**
研究中的讨论部分强调，整合多种系统发育方法（尤其是分支异质性调和模型）是解决古菌根问题的关键。外群根和非可逆模型分辨力有限，而非平稳模型（GFmix）和调和模型均指向根位于Euryarchaeota基部附近，从而支持LACA为复杂、自由生活的（超）嗜热产甲烷菌。这一结论与地质记录一致，表明产甲烷作用在古菌早期就已出现。DPANN作为衍生姐妹群，其共生生活方式是二次适应，而非祖先特征。DPANN基因组进化以基因丢失和转移为特征，其精简模式与CPR细菌不同，后者在茎谱系上早期发生，而DPANN的丢失更为阶段性且部分趋同。研究结论翻译如下：**研究结论：** 通过使用最佳位点和分支异质性替代模型、非可逆和非平稳模型，以及新开发的基因树-物种树调和模型，研究人员将古菌根限定在Euryarchaeota基部或附近，支持最后古菌共同祖先（LACA）是一个复杂、自由生活的（超）嗜热产甲烷菌，并恢复了DPANN作为TACK+Asgard的姐妹群。DPANN的基因组进化以基因丢失和转移驱动的精简和扩张为特征，其祖先为自由生活型。这些发现为古菌早期进化、产甲烷的古老性以及宿主相关谱系的衍生起源提供了关键证据。