mLife:首次从基因进化角度揭示Thermus类群在热液系统反硝化的重要角色

生物反硝化过程是生物地球氮循环的的重要环节，有报道称Thermus类群是陆地热泉生境重要的异养反硝化的参与者。但是对Thermus反硝化基因功能与进化的研究并不深入，且由于Thermus类群易受外源基因干扰，因此Thermus是否普遍具有反硝化功能存在争议。针对Thermus对反硝化基因的研究，将有助于理解Thermus在反硝化过程中的功能角色，并拓展对热泉氮循环的认知。

中山大学生命科学学院李文均教授团队首次揭示不完全反硝化功能普遍存在于Thermus类群中，并表明该途径使它们能够适应热液环境中常见的低氧或缺氧条件。这项工作扩展了对栖热菌不完全反硝化途径进化的认知，证明了栖热菌是热液环境中重要的异养反硝化菌，为热液环境氮循环的研究奠定基础。

团队通过比较基因组分析发现，Thermus类群的基因组大小在2.02 Mbp-2.56 Mbp之间，泛基因组包含6992个基因家族，其中有1027个核心基因家族（图1）；此外，COG功能注释结果表明，Thermus类群具有十分相近的功能类别。因此，尽管Thermus属典型物种较多，分离地点差异较大，但是整体功能较为保守。

图1. Thermus类群比较基因组分析结果

为了探究Thermus类群的反硝化功能基因，团队进一步针对Thermus的反硝化基因开展了比较分析。结果表明，除了nosZ基因外，反硝化基因普遍存在于Thermus类群中（图2）。此外，该研究针对Thermus的不完全反硝化过程的关键基因narG、nirK、nirS和norB分别进行进化分析，结果表明，narG、nirS和norB基因与nirK基因存在不同的进化历史，结合基因序列位置关系，证明Thermus的不完全反硝化功能是在Thermales的早期进化获得的，并且这些基因在很大程度上属于垂直遗传（图2）。这也就意味着不完全反硝化功能普遍存在于Thermus类群中。

图2. Thermus类群反硝化基因的获得事件

该研究成果“Comparative genomic analysis of Thermus provides insights into the evolutionary history of an incomplete denitrification pathway”近日发表在mLife学术期刊上。中山大学生命科学学院焦建宇特聘副研究员、连政汉博士和李蒙蒙博士为论文并列第一作者，李文均教授和内华达大学拉斯维加斯分校Brian P. Hedlund教授为共同通讯作者，中山大学为该成果的第一完成单位。该研究工作得到国家自然科学基金“水圈微生物驱动地球元素循环的机制”重大研究计划重点项目和国家自然科学基金面上项目等项目的资助。