中大新聞網訊（通訊員饒陽之）DPANN古菌是一類基因組和細胞極小的共生古菌。它們通常缺乏一般微生物常見的生理代謝途徑，因而需要以來宿主進行共生。令人意外的是，這種極小的古菌普遍存在于各種各樣的極端環境，例如高溫熱泉、酸性礦山廢水和鹽湖等環境。那么，它們如何適應極端環境，并在各種各樣的生存繁衍呢？
中山大學生命科學學院李文均教授團隊通過對云南騰沖高溫熱泉的調查，發現并命名了納古菌門內部的古菌新目——精衛古菌目（Jingweiarchaeales），其中包括兩個新屬——精衛古菌屬（Jingweiarchaeum）與海燕古菌屬（Haiyanarchaeum）。“精衛”與“海燕”的名字源于精衛填海的傳說，寓意“精衛填海，百折不撓”，即微小古菌也能適應各種各樣的極端環境并且生存繁衍。另外發現并命名了小古菌目（Parvarchaeales）中的一個新屬——熱海古菌屬（Rehaiarchaeum），命名自云南騰沖熱泉采樣點——熱海國家公園。
精衛古菌目與早期發現的DPANN古菌——ARMAN古菌中的Parvarchaeales 形成姊妹支系（圖一）。通過代謝潛能分析發現，前者具有典型的DPANN古菌“回收型“的代謝方式，即利用外部環境或宿主“現成”的核苷酸和氨基酸等小分子合成自身大分子并產生能量。而Parvarchaeales則具有更加多樣的代謝能力,可能通過糖酵解、三羧酸循環和電子傳遞鏈多種方式產能（圖二）。通過比較基因組學分析，以及最適生長溫度、最適生長溫度pH（pI）等“逆向生態學”分析表明，精衛古菌目中的新屬海燕古菌屬是一種超嗜熱菌，其最適生長溫度（OGT）超過80?C。它們通過編碼超嗜熱菌特異性基因反向螺旋酶（rgy），以及基因組和所編碼蛋白組的本身特征，例如基因組精簡化、高編碼密度、高重疊基因比例和高溫特異性的基酸組成偏好性來適應極端高溫環境（圖三）。而對于嗜酸類群，包括精衛古菌屬和Parvarchaeales 支系，則具有由水平基因轉移主導獲得的差異化的酸適應性機制。分別通過特定基因形成難以通透質子的細胞膜，和外排質子以維持細胞內部環境穩定。進一步的進化歷史重構表明，這些古菌支系具有共同的熱起源，在后續進化中，海燕古菌屬逐步適應更高溫的生境，成為超嗜熱菌，而Parvarchaeales支系則逐漸適應低溫環境。另外，祖先節點具有近中性的等電位點（pI），表明共同祖先適應中性環境生存，而對酸性環境的適應性可能為后續通過水平基因轉移主導的進化所產生（圖四）。
圖一 精衛古菌的系統發育位置
圖二 精衛古菌與Parvarchaeales的代謝潛能
圖三 精衛古菌與Parvarchaeales的比較基因組統計
圖四 精衛古菌與Parvarchaeales的祖先性狀重構
該研究揭示DPANN古菌對高溫以及酸性極端環境的適應性機制，并對其相關祖先性狀進行了重構。研究成果以Metagenomic Discovery of “Candidatus Parvarchaeales”-Related Lineages Sheds Light on Adaptation and Diversification from Neutral-Thermal to Acidic-Mesothermal Environments為題發表于學術期刊mSystems。中山大學為該成果的第一完成單位。本論文得到國家自然科學基金的支持。
