《Systematic and Applied Microbiology》：Phylogenomics of
Desulfuromonadia supports reclassification of
Geobacter psychrophilus as
Irobacter psychrophilus comb. nov. and proposal of
Geosyntrophus gen. nov.
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摘要翻译：
基于基因组解析的系统发育基因组学揭示了历史上依据16S rRNA基因系统发育被归入地杆菌属（Geobacter）的金属还原细菌存在广泛的错误分类，并突显出一些仅以16S rRNA条目存在、缺乏基因组而无法进行可靠分类学解析的物种。本研究通过整合全
摘要翻译：
基于基因组解析的系统发育基因组学揭示了历史上依据16S rRNA基因系统发育被归入地杆菌属（Geobacter）的金属还原细菌存在广泛的错误分类，并突显出一些仅以16S rRNA条目存在、缺乏基因组而无法进行可靠分类学解析的物种。本研究通过整合全基因组系统发育、平均氨基酸一致性（average amino acid identity, AAI）和保守蛋白百分比（percentage of conserved proteins, POCP），对脱硫单胞菌纲（Desulfuromonadia）的418个去重复基因组进行分析，解析了两个此类谱系。研究人员报告了嗜冷铁还原细菌Geobacter psychrophilus的一个草稿基因组（完整度为100%）。系统发育基因组学分析将Geobacter psychrophilus和GTDB占位属g__JACRCG01均置于“假泥杆菌科”（‘Pseudopelobacteraceae’）内，而非严格意义上的地杆菌科（Geobacteraceae sensu stricto）。在该框架下，G. psychrophilus形成一个独立且支持良好的谱系，其与邻近属之间的AAI和POCP存在不连续性，支持将其重新分类为Irobacter psychrophilus comb. nov.（嗜冷铁杆菌新组合）。此外，研究人员还表明，非纯培养互养细菌Geosyntrophus acetoxidans与51个其他环境基因组（占位属g__JACRCG01）形成一个具有一致性的属，为此提出替代名称Geosyntrophus gen. nov.（地互养菌属新属）。比较基因组分析揭示了保守的科水平代谢特征，以及呼吸代谢方面的属特异性差异，而基于平均核苷酸一致性（average nucleotide identity, ANI）的聚类则在两个新属内鉴定出大量的种水平多样性。宏基因组和16S rRNA基因调查数据进一步表明，Geosyntrophus和Irobacter广泛分布于从北极到南极的类似水生和地下生境中。综上所述，这些结果解决了两条此前分类不明的脱硫单胞菌目（Desulfuromonadales）谱系的分类学问题，并揭示了其环境分布特征。
论文解读：
### 研究背景与科学问题
脱硫单胞菌纲（Desulfuromonadia）是一类代谢多样、严格厌氧的细菌，在厌氧土壤和沉积物中通过将有机物氧化与金属呼吸耦合，在全球生物地球化学循环中发挥重要作用。其中，地杆菌目（Geobacterales）包含在地球微生物学、生物修复和生物电化学应用中具有核心地位的多个谱系。随着全基因组系统发育学逐渐取代基于16S rRNA基因的分类方法，脱硫单胞菌纲尤其是地杆菌科（Geobacteraceae）的分类学经历了大规模修订。然而，一个关键问题在于，基因组数据库（如NCBI、GTDB）与原核生物命名法规（ICNP）及具有命名地位的 prokaryotic 名称列表（LPSN）之间存在持续不匹配。例如，科级谱系“假泥杆菌科”（‘Pseudopelobacteraceae’）、属级名称“假泥杆菌属”（‘Pseudopelobacter’）和物种名“丙酸假泥杆菌”（‘Pseudopelobacter propionicus’）均未依据ICNP得到有效发表，导致分类命名与基因组进化关系不一致。这种不匹配不仅是命名问题，还会影响生态和功能解读。地杆菌属（Geobacter）成员被广泛用作细胞外电子传递（extracellular electron transfer, EET）的模式生物，而EET性状在脱硫单胞菌纲中分布广泛但不均匀，研究人员常以属和科级别的标签作为功能简写，分类边界不稳定会造成关于代谢、生活方式和生态角色的假阳性和假阴性推断。
一个突出的未解案例是嗜冷地杆菌（Geobacter psychrophilus），该菌是从地下含水层分离得到的嗜冷Fe(III)还原菌。早期仅基于16S rRNA系统发育曾提议将其更名为“假泥杆菌嗜冷种”（‘Pseudopelobacter psychrophilus’），但缺乏基因组序列导致无法进行可靠的系统发育定位，且该组合名称在ICNP下没有法规地位。后来的基于基因组的评估也明确指出，对该物种的重新分类应等待基因组测序。研究人员在近期对波罗的海沉积物中一个依赖导电颗粒的互养共培养物的研究中，测定了Geobacter psychrophilus P39的基因组。该菌是与尚未纯培养的互养细菌Geosyntrophus acetoxidans（GTDB占位属JACRCG01）最接近的纯培养分离株。基于基因组的分析将这两种生物置于地杆菌属和严格意义上的地杆菌科之外。因此，本研究旨在利用全基因组系统发育、平均氨基酸一致性（AAI）和保守蛋白百分比（POCP）等多方面基因组证据，解决这两个谱系的分类学问题。
### 主要关键技术方法
研究人员从NCBI RefSeq/GenBank数据库（2025年8月下载）获取所有可用的脱硫单胞菌目基因组，使用dRep在95%平均核苷酸一致性（ANI）水平下去重，并依据CheckM评估的质量指标（完整度≥90%，污染度≤5%）筛选，最终获得418个去重复高质量基因组。系统发育分析采用PhyloPhlAn鉴定、比对并串联400个保守通用蛋白标记，trimAl修剪后使用RAxML-NG（LG+G4+F模型，1000次Felsenstein自举）和IQ-TREE 2（ModelFinder选模，2000次超快自举和SH-aLRT检验）构建最大似然树。AAI值用CompareM计算，POCP用自建脚本基于DIAMOND比对计算。通过65%、70%、75%三种AAI阈值进行层次聚类评估属级划分稳定性。代谢潜力用METABOLIC v4.0重建，假定的多血红素细胞色素通过自定义基序扫描脚本鉴定。样本来源涵盖NCBI公共数据库中的分离株基因组和宏基因组组装基因组（MAGs）。
### 研究结果
#### 脱硫单胞菌纲基因组数据集与分类学缺口
研究人员汇编了857个公开可用的脱硫单胞菌纲基因组，去重后得到418个代表性基因组。按NCBI分类，地杆菌科（193个基因组）和脱硫单胞菌科（Desulfuromonadaceae，82个基因组）占比最多，而“泥杆菌科”（‘Pelobacteraceae’，2个基因组）等地杆菌科占比很小。系统发育分析表明，该数据集在地杆菌目内包含两个支持良好的科级谱系：地杆菌科（105个基因组）和提议的“假泥杆菌科”（108个基因组）。与NCBI现行分类相比，许多基因组被错误归属。值得注意的是，19.1%的基因组未被归入任何已确认属，凸显当前分类的缺口。这些缺口涵盖占位谱系和已命名分离株。其中两个典型例子是：缺乏基因组序列而被错误分类的Geobacter psychrophilus，以及包含51个去重复环境基因组、无已分类分离株的占位属JACRCG01（其代表性成员最近被描述为Geosyntrophus acetoxidans，一种仅在富集培养中生长而未被纯培养的互养细菌）。
#### 将Geobacter psychrophilus重新分类为Irobacter psychrophilus comb. nov.并提议Irobacter gen. nov.
研究人员获得了Geobacter psychrophilus P39的高质量100%完整度基因组（5.10 Mbp，6个contig，N50为4.72 Mbp，污染度3.4%，覆盖度126×，预测4869个编码序列，3个rRNA操纵子，55个tRNA，GC含量54%）。全基因组系统发育将该菌置于地杆菌属和地杆菌科严格意义之外，而是位于“假泥杆菌科”内、但不在“假泥杆菌属”中，形成了一个支持良好的单系谱系。GTDB将该基因组归属于占位属g__CAIPTY01。该占位属分支包括G. psychrophilus和10个密切相关的去重复环境基因组，属内AAI为76.6%±2.7%，显示高属内聚性，但POCP仅为39.2%±9.9%，表明属内功能多样性较高。与最近姐妹属Oryzomonas和Pelotalea相比，AAI相似性分别降至72.76%±0.62%和72.61%±0.88%，POCP分别降至23.59%±3.00%和24.27%±3.82，存在明显不连续性；与更远的Trichlorobacter相比差异更大（AAI 65.7%±1.2%，POCP 5.6%±1.7%）。这些基因组一致性、系统发育分离、蛋白质和功能差异共同支持将该谱系认定为一个新属Irobacter gen. nov.，其中Irobacter psychrophilus comb. nov.是该属唯一可纯培养的物种。
#### 提议Geosyntrophus gen. nov.（GTDB占位属g__JACRCG01）
Geosyntrophus acetoxidans是一个依赖导电颗粒的互养共培养物中的优势细菌。其基因组最近被测序并归属到GTDB占位属g__JACRCG01。该谱系包含51个去重复基因组，形成一个支持良好的单系分支，位于提议的“假泥杆菌科”内。全基因组系统发育将该分支与科内所有其他属（包括新提议的Irobacter）明显分开。51个去重复基因组的属内AAI为77.3%±3.1%，符合属级内聚性；属内POCP为26.7%±11.8%，极低且变异大，反映该分支内很高的功能多样性。与其他属的AAI比较显示明显不连续性：与Irobacter为72.0%±1.0%，与Oryzomonas为71.0%±0.9%，与Pelotalea为71%±0.8%，与Trichlorobacter为64.9%±1.1%；属间POCP值仅为3.6%~9.8%，明确区分于科内其他属。这些模式支持将g__JACRCG01归类为新属Geosyntrophus gen. nov.。
#### 跨分类等级的基因组一致性
研究人员在合并的地杆菌科严格意义–“假泥杆菌科”谱系中，使用65%、70%、75%三种AAI阈值进行层次聚类。65% AAI阈值下几乎所有基因组聚成一个簇，过于宽松；70% AAI分辨率出多个系统发育上一致的群组，对应于提议的Geosyntrophus和Irobacter以及已确认属Oryzomonas、Pelotalea、“假泥杆菌属”和Trichlorobacter，但地杆菌科内的若干簇与现行属不匹配，表明该科可能存在额外分类多样性；75% AAI阈值则将一些原本一致的属分割成多个簇，显示过严阈值可能导致过度分裂。这表明没有单一固定AAI阈值能一致地重现属级边界，固定基因组阈值不应独立于系统发育和其他信息使用。
在种水平上，利用成对ANI值鉴定的次级基因组簇显示：Geosyntrophus属共115个可用基因组解析为51个推定的种级簇（由51个去重复基因组代表），簇大小从1到28个基因组不等，非纯培养代表Geosyntrophus acetoxidans属于一个包含4个基因组的簇；Irobacter属14个可用基因组形成10个推定种级簇（10个去重复基因组），其中9个簇仅含1个基因组，而含模式种Irobacter psychrophilus的簇包含7个基因组。这表明两个新属均包含多个种级谱系，同时保持一致的属级边界。
#### 比较代谢重建支持保守的科级代谢和属特异性变异
基于METABOLIC的代谢重建显示，“假泥杆菌科”和地杆菌科成员共享高度保守的中心碳代谢核心，而参与厌氧呼吸、末端电子接受过程和细胞色素介导电子传递的基因在两科及其属间存在差异。中心碳代谢相关基因（如乌头酸水合酶B（AcnB）、延胡索酸酶亚基（FumABC）、异柠檬酸脱氢酶（IDH）、苹果酸脱氢酶（Mdh）、2-酮戊二酸：铁氧还蛋白氧化还原酶（Oor/KorAB）、丙酮酸：铁氧还蛋白氧化还原酶（PorABCD）、琥珀酸脱氢酶/延胡索酸还原酶（SdhABD/FrdABD）、琥珀酰辅酶A合成酶（SucCD））在几乎所有分析属的大部分基因组中普遍存在，但未检测到还原性TCA循环的诊断性酶ATP柠檬酸裂解酶（AclAB），因此保守解释为TCA相关中心代谢而非自养固碳。Wood–Ljungdahl途径相关基因中，亚甲基四氢叶酸脱氢酶/环化水解酶（FolD）和亚甲基四氢叶酸还原酶（MetF）广泛存在，但一氧化碳脱氢酶/乙酰辅酶A合酶相关蛋白（CooS/AcsA）和甲酸脱氢酶亚基（FdhA/FdhF）仅存在于部分基因组且不完整，因此不证明存在完整的Wood–Ljungdahl途径。在“假泥杆菌科”内，Geosyntrophus和Irobacter共享若干一般代谢特征（如乙酸代谢相关基因Ack、Acs、Pta，甲酸氧化相关基因FdhA、FdhB、FdoG、FdoH，以及[NiFe]-氢化酶组），但许多功能仅存在于部分基因组，显示明显的属内异质性。硝酸还原酶相关基因（周质NapA/NapB、膜结合NarG/NarH）在两个属中均以可变频率出现，分布零散。细胞色素c亚硝酸盐还原酶（NrfA）是两科中最稳定存在的氮循环基因，而反硝化后期基因（一氧化氮还原酶亚基NorB/NorC）稀疏，表明硝酸盐或亚硝酸盐还原为铵可能比完整反硝化更普遍。Mtr家族蛋白（MtrA、MtrB、MtrC）和Omc家族细胞色素（OmcF、OmcS、OmcZ）在地杆菌科中比“假泥杆菌科”更普遍和一致。预测的多血红素细胞色素（MHC）数量在属间差异显著，地杆菌科成员通常编码比“假泥杆菌科”更多的MHC。
#### Geosyntrophus和Irobacter的全球分布
Geosyntrophus相关MAGs在GTDB数据库中呈全球分布，基于16S rRNA基因的MicrobeAtlas数据进一步扩大了其分布范围。Geosyntrophus MAGs主要回收自水生和地下环境，包括分层湖泊和池塘、地下水、垃圾填埋渗滤液、酸性矿山排水和冰川相关环境，地点从北极到南极。16S rRNA基因调查在超过32,000个样本中检测到Geosyntrophus acetoxidans，表明其分布更广，还包括根际、土壤甚至少数动物相关栖息地，但其最佳生态位是厌氧水生和地下生态系统。Irobacter相关MAGs回收频率较低，但来自大致相似的环境，从湖泊、地下水到酸性矿山和冰川相关栖息地。由于Irobacter在MicrobeAtlas中与Geobacter分支混淆，无法可靠解析其16S rRNA分布，因此未用于栖息地推断。
### 讨论与结论
研究人员强调，重新分类不仅稳定了命名，还改变了这些谱系的生态解读。地杆菌属成员长期作为金属还原、EET和直接种间电子传递（DIET）的模式生物，但基于基因组的分类表明这些性状并不能可靠映射到传统的属名上。此前研究表明由细胞外电子交换介导的互养仅局限于强产电的Geobacter物种，而弱产电且不能进行DIET互养的类群虽最初被归为Geobacter，后来被重新归属到其他属。此后在Geobacter之外的谱系（如Rhodoferax和Geosyntrophus acetoxidans）中也发现了DIET互养。准确的基于基因组的分类对解释EET性状至关重要：历史上一系列生理上不同的谱系被归入Geobacter，造成EET和DIET能力在该属中保守的假象；修订后的分类显示这些性状分布在脱硫单胞菌纲内的多个不同进化谱系中，功能预测应基于系统发育基因组关系而非传统分类归属。
Geosyntrophus和Irobacter加入了与Geobacter、Geopsychrobacter、Geothermobacter以及来自寒冷和永久寒冷沉积物的未培养分支Sva1033等相关的金属还原和EET脱硫单胞菌目谱系集合。这些谱系还能占据如铁锰结核和结壳等独特微生境。在温带和永久寒冷沉积物中，包括脱硫单胞菌目谱系在内的独立金属还原菌是有机质氧化的关键参与者，铁还原菌似乎能在硫酸盐存在的情况下竞争过硫酸盐还原菌。这可能是由于其多样的电子处置策略：将有机物氧化与可利用活性矿物的还原偶联，或与产甲烷伙伴通过DIET互养或导电颗粒介导的种间电子传递偶联。铁还原菌在通过导电矿物与产甲烷菌偶联时可大幅增加甲烷产生。随着全球变暖改变矿物和有机物的输运（如沙漠化增加导致粉尘输送增强、冰川和冰盖融水径流增加），此类互养相互作用的重要性可能增加。因此，解析金属还原和互养谱系的系统发育和分布，对于预测微生物电子传递如何在气候变化背景下影响碳周转和甲烷排放是必要的。
研究结论部分指出，通过整合全基因组系统发育、AAI和POCP，研究人员解决了脱硫单胞菌纲内两个长期存在的分类学问题：Geobacter psychrophilus不属于Geobacter或严格意义上的地杆菌科，因此提议将其更名为Irobacter psychrophilus，作为新属Irobacter gen. nov.（占位名g__CAIPTY01）的唯一培养代表；同时提议用Geosyntrophus gen. nov.替代GTDB占位属g__JACRCG01，其唯一已培养的非纯种代表是近期表征的Geosyntrophus acetoxidans。这两个谱系在系统发育上彼此独立，属级基因组具有一致性，并与邻近属明确区分。超越分类学意义，这些谱系影响厌氧环境中的碳流：通过将有机物氧化与活性矿物或产甲烷伙伴偶联，它们可改变碳矿化与甲烷产生之间的平衡。解析其系统发育和分布对理解微生物电子传递如何响应环境变化具有重要意义。该研究发表于《Systematic and Applied Microbiology》。
