山龙眼科目物种界定的挑战：基于六个环境菌株的基因组相似度指标与系统发育基因组学的比较评估

《BMC Genomics》：Challenges in Caryophanales species delimitation: comparative evaluation of genomic similarity metrics and phylogenomics based on six environmental strains

　　

摘要

鞘脂纲（Caryophanales）中物种界定仍然具有挑战性，这是由于广泛的多源性所致，特别是在枯草芽孢杆菌（Bacillus subtilis）和广义蜡样芽孢杆菌（Bacillus cereus sensu lato）群中尤为如此。我们比较了多种基于基因组的方法——ANI（FastANI、skani）、dDDH、TZMD以及单拷贝基因（SCG）系统发育基因组学——用于对来自玉米耕作后土壤的六个环境菌株进行物种归类，并对每个分类邻域中所有可用的RefSeq基因组在完整基因组和染色体组装水平上进行了全面的两两比较。

结果显示物种边界存在高度变异性。两个菌株明确归类为枯草芽孢杆菌（B. subtilis）和地衣芽孢杆菌（B. licheniformis），所有ANI比较均超过95%的阈值，且具有清晰的系统发育基因组学分离。相比之下，菌株Bac2属于解淀粉芽孢杆菌操作群（Bacillus amyloliquefaciens），其种间ANI值超过了种内B. amyloliquefaciens的数值，单拷贝基因系统发育基因组学显示广泛的种间混杂现象，表明存在根本性的边界不一致。菌株zielonkawy被归类为狭义蜡样芽孢杆菌基因组种（B. cereus sensu stricto），具有该复合群特征性的狭义蜡样芽孢杆菌（B. cereus s.s.）与苏云金芽孢杆菌（B. thuringiensis）的广泛混杂现象。另外两个菌株被归类为巨大芽孢杆菌（Priestia megaterium）和淀粉解类芽孢杆菌（Paenibacillus amylolyticus）；然而，无论是ANI多重比较分析还是单拷贝基因系统发育基因组学均提示可能存在种间混杂或数据库误标注，尽管类芽孢杆菌的数据集受限于样本量较小。据我们所知，这是首次定量记录巨大芽孢杆菌（Pr. megaterium）与阿育吠陀芽孢杆菌（Pr. aryabhattai）之间以及淀粉解类芽孢杆菌（P. amylolyticus）与木聚糖酶产生类芽孢杆菌（P. xylanexedens）之间的物种界定问题。定量一致性分析显示FastANI与dDDH公式2之间存在非线性关系（二次R² = 0.991），70%的dDDH阈值对应96.16%的ANI，而非传统假定的95%，证实dDDH公式2是更为保守的度量标准。在所有数据集中，skani基因组距离与单拷贝基因系统发育基因组学祖距离（patristic distances）之间的一致性很高（R² = 0.900–0.997），证实了总体方法学上的一致性；Spearman等级相关性也很高，但始终较低（ρ = 0.780–0.916），表明即使总体基因组结构一致，不同方法之间最近邻的精确排序顺序也可能不同。

我们提议将种内和种间ANI多重比较分析与PERMANOVA及事后两两检验相结合，作为单拷贝基因系统发育基因组学的互补诊断工具，用于评估分类学复杂群中的物种边界有效性。