《Applied and Environmental Microbiology》:Novel and diverse features identified in the genomes of bacteria isolated from a hydrothermal vent plume
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本文聚焦莫伊蒂拉热液喷口羽流(HVP),通过培养细菌并测序 12 个分离株基因组,发现 4 种潜在新物种,还识别出独特基因簇等。研究揭示 HVP 在微生物多样性和基因创新方面的重要性,为探索极端环境微生物提供关键见解。
### 引言
热液喷口羽流(HVPs)是由高温喷口排放形成的独特海洋环境,它像水下高速公路,能将微生物群落分散到数百公里外的海洋盆地。HVPs 具有温度和化学梯度变化大的特点,支持以 H
2S、Fe、Mn、CH
4和 H
2等化合物为基础的化学合成生态系统。其中的微生物受噬菌体携带基因的影响,水平基因转移(HGT)在传播能量代谢和次生代谢相关基因中起关键作用,HVPs 被认为是基因组创新的宝库和天然产物发现的重要来源。
由于深海细菌培养困难,此前对热液喷口微生物群落的研究多采用非培养的 “组学” 方法。本研究以莫伊蒂拉热液喷口场为对象,对分离自该喷口羽流的细菌进行全基因组测序(WGS),结合元转录组和 16S 群落数据,深入探究微生物的功能属性、潜在新物种以及基因组岛(GIs)的功能。
结果
- 基因组组装和分类:从莫伊蒂拉 HVP 采集 1 升水样,过滤收集细胞后进行培养和分离,共获得 173 株细菌,选取 12 株进行 WGS。使用 6 种组装器和 Trycycler 生成 12 个细菌基因组,完整性均超 98%。通过系统发育和分类分析,8 株菌被鉴定到种水平,4 株菌的数字 DNA - DNA 杂交(dDDH)值低于 70%,可能代表新物种,它们分属于假单胞菌门(Pseudomonadota)、拟杆菌门(Bacteroidota)和芽孢杆菌门(Bacillota)。这 12 株菌的基因组大小在 2.60 - 5.65 Mb 之间,部分菌含有质粒,16S、23S 和 5S rRNA 基因主要位于最大染色体上,部分菌的质粒上也有 rRNA 操纵子。
- 功能注释:不同菌的 KEGG 功能注释显示,α - 变形菌纲(Alphaproteobacteria)中 ABC 转运蛋白、群体感应成分和双组分系统相关基因丰富;硫代谢和卟啉生物合成基因在某些菌中更为普遍;鞭毛组装基因在多数菌中存在,但拟杆菌门的两株菌例外;部分菌的双组分系统基因和趋化性注释相关;还有些菌在氮代谢方面有较多注释。
- 运动性:所有分离株都有运动的遗传证据。假单胞菌门和芽孢杆菌门多数菌具有构建鞭毛及相关结构的基因,部分菌的鞭毛组装基因位于质粒上,如 S. pontiacus OXR - 199。Idiomarina sp. OXR - 189 有钠驱动鞭毛运动蛋白变体的编码基因。玫瑰杆菌科(Roseobacteraceae)缺乏应激反应和鞭毛调节基因 rpoN,芽孢杆菌门则有替代的 sigma 因子 sigA 和 sigD 用于管家基因和鞭毛组装调控。拟杆菌门的两株菌通过滑行运动,依靠滑行蛋白和粘附素,由 IX 型分泌系统驱动。
- 营养代谢:玫瑰杆菌科的菌株编码完整的硫代硫酸盐氧化途径基因,可利用硫化合物产生能量。G. subterraneus OXR - 76 和 N. rhodophyticola OXR - 85 具有完整的异化硝酸盐还原途径基因,但在莫伊蒂拉喷口羽流中,该途径相关基因表达较低,可能未被积极利用。其他一些菌株在该途径中缺少特定的硝酸盐还原酶 KEGG 模块。
- 碳固定:基因组分析发现多种碳固定途径相关基因,包括卡尔文 - 本森 - 巴沙姆循环、还原性三羧酸(rTCA)循环等。这些基因多数位于主染色体上,部分质粒上也有相关基因,但可能参与其他代谢过程。
- 次级代谢:通过 antiSMASH 和 DeepBGC 预测到 359 个生物合成基因簇(BGCs),其中多酮类最为丰富。部分菌的染色体上有与特定物质合成相关的 BGCs,如 S. faviae OXR - 9 等菌有与 ectoine 合成相似的 BGCs。一些菌的质粒上也有较多 BGCs,如 S. pontiacus OXR - 199 和 L. variabilis OXR - 209。Thalassobaculum sp. OXR - 137 的 GI13 中发现一个潜在的新型 95 kb NRPS/PKS 簇,与已知的生物合成基因簇相似度低,可能代表独特的生物合成途径。
- 转录活性:将元转录组读数与测序基因组比对,发现所有细菌分离株在所有 17 个样本中都有转录响应,但喷口羽流内和羽流外的转录本表达无显著差异。多数转录活性出现在喷口羽流内的样本中,OXR - 85 和 OXR - 189 在羽流外也有活性。
- 新型分离株的基因组岛:基于 dDDH 值确定 4 株潜在新分离株,计算平均核苷酸同一性(ANI)并进行比较基因组学分析,以探索潜在的进化差异和 GIs。
- Thalassobaculum sp. OXR - 137 的 GIs:其与模式菌株的 ANI 为 89.25%,dDDH 为 33.2%。主染色体有 19 个 GIs,包含多种功能基因,如与铜、砷抗性相关的基因,还有潜在的整合性结合元件(ICEs)和噬菌体相关区域。质粒上的 GIs 也有重要功能,如参与硝酸盐还原、重金属抗性等。
- Sulfitobacter sp. OXR - 159 的 GIs:与模式菌株相比,ANI 为 96.3%,dDDH 为 67.6%,二者在新物种预测上存在差异。其主染色体和质粒上共有多个 GIs,包含多种功能基因,如参与维生素 B12 转运、重金属抗性、噬菌体防御等相关基因。
- Idiomarina sp. OXR - 189 的 GIs:与模式菌株的 ANI 为 96.7%,dDDH 为 68.8%。染色体上有 7 个 GIs,虽未发现 ICEs,但有与维生素 B12 转运、重金属抗性、趋化性等相关的基因,部分 GIs 可能与噬菌体有关。
- Christiangramia sp. OXR - 203 的 GIs:与模式菌株的 ANI 为 85.5%,dDDH 为 28.1%。基因组有 9 个 GIs,包含多种功能基因,如参与多药和重金属外排、应激反应、DNA 修饰等相关基因,部分 GIs 可能通过 HGT 事件形成,可能具有 ICE 功能。
讨论
- 新物种和比较基因组学:研究发现的潜在新分离株表明 HVPs 是生物多样性和基因组创新的热点。Idiomarina sp. OXR - 189 的基因组大小和功能特征显示其可能在深海肽循环中起特殊作用。Sulfitobacter sp. OXR - 159 的基因组分析揭示了基于基因组的物种划分存在局限性,其质粒上的基因可能通过接合事件获得,为菌株提供优势。Christiangramia sp. OXR - 203 的 GIs 可能赋予其药物抗性等功能。Thalassobaculum sp. OXR - 137 具有独特的功能特征,如可能进行光驱动的光合作用,其多个 GIs 和重金属抗性基因可能在当地环境中发挥重要作用。此外,部分菌质粒上的 rRNA 操纵子可能有助于细菌适应环境变化和基因交换。
- 功能特征:12 个基因组的功能分析表明,细菌具有化学合成营养的倾向。玫瑰杆菌科能氧化硫化合物获取能量,在有氧和无氧条件下都能生长并固定 CO2。部分菌株虽有异化硝酸盐还原途径,但在莫伊蒂拉喷口羽流中可能未被使用。所有分离株都有参与多种碳固定途径的基因,这可能是它们在极端环境中生存的重要适应机制。G. subterraneus OXR - 76 是嗜热菌,可能从温暖区域进入喷口羽流,但其在采样时可能未发挥功能。不同细菌的运动方式和调控机制不同,如玫瑰杆菌科和芽孢杆菌门的调控基因不同,部分菌的鞭毛基因位置特殊,拟杆菌门通过滑行运动并能分解复杂底物。
- 扩散和移动遗传元件:新型分离株中存在多种移动遗传元件(MGEs),如转座子、ICEs 和噬菌体整合,HGT 在细菌适应环境中起关键作用,促进了功能性状的传播,如重金属抗性和次级代谢产物生产相关基因的传播,HVPs 是基因组创新的动态库,但对 GIs 的进一步研究仍需深入。
- 次级代谢:虽然预测 BGCs 的工具存在局限性,但仍发现了潜在的新型 NRPS/PKS 基因簇,显示出热液喷口微生物在生物技术领域的潜力,Thalassobaculum sp. OXR - 137 的新型基因簇值得进一步研究其环境作用和应用价值。
结论
本研究对热液喷口羽流中的细菌进行培养和基因组测序,揭示了 12 株分离株的代谢潜力和功能,发现 4 种潜在新物种,其中一种含有潜在新型 NRPS/PKS BGC。这些发现为深入了解深海环境微生物群落的基因组功能和适应机制提供了重要依据,强调了它们在维持喷口羽流生态系统化学合成基础中的关键作用。
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